ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7137| Title: | Вдосконалення процесу наповнення начинками кондитерських виробів |
| Authors: | Хандюк , Микола Васильович Кочетков, Олег Сергійович |
| Keywords: | роторно-шестеренчатий апарат;начинка;нагнітач;реологія |
| Issue Date: | 14-Dec-2023 |
| Abstract: | Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає у розробці та дослідженні вдосконаленої конструкції пристрою роторного типу для наповнення начинкою джгута з кондитерської маси, що формується в наскрізному каналі або в батоні, що обкатується в карамельній масі. Методи досліджень. Дослідження виконані методами математичного моделювання та графо-аналітичного аналізу зсуву начинки в матеріалопроводах за допомогою пристрою роторного типу для наповнення джгута або начинконаповнювача різними типами начинок. Об’єкт роботи. Апарат роторно-шестеренчатого типу без запертого об’єму між зубами для прокачування начинок кондитерських виробів. Предмет роботи. Вирішення науково-практичних завдань спрямованих на обґрунтування технологічного процесу прокачування начинок кондитерських виробів із застосуванням роторно-шестеренчатого апарату. Наукова новизна одержаних результатів полягає в удосконаленні конструкції роторно-шестеренного нагнітача для нагнітання фруктово-ягідних та жирових начинок у кондитерські вироби. Практичне значення одержаних результатів полягає у рекомендації до впровадження модернізованого роторно-шестеренного нагнітача для мілкосерійних підприємств. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7137 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Кочетков.pdf Restricted Access | Магістерська кваліфікаційна робота (МКР) складається з реферату, вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. МКР містить 102 сторінки, включає 63 формули, 49 рисунків, 5 таблиць, 20 літературних джерел та 4 додатка. | 3.82 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
магістр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему: «Вдосконалення процесу наповнення начинками кондитерських
виробів»
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
Виконав: студент 2 курсу, групи мПВ-86
спеціальності 133 – Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(освітня програма)
Олег КОЧЕТКОВ
(ім’я та прізвище)
Керівник Микола ХАНДЮК
(ім’я та прізвище)
Рецензент Валентин ПОДА
(ім’я та прізвище)
Черкаси 2023
1
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
Освітньо-кваліфікаційний рівень магістр
Спеціальність 133 «Галузеве машинобудування»
Спеціалізація «Обладнання переробних і харчових виробництв»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
ЗАТВЕРДЖУЮ:
завідувач кафедри
___________Василь ОСИПЕНКО
(підпис) (ім’я та прізвище)
«_________»__________________2023 року
ЗАВДАННЯ
на магістерську кваліфікаційну роботу студенту
Олегу КОЧЕТКОВУ
(ім’я та прізвище)
1 Тема магістерської роботи: «Вдосконалення процесу наповнення начинками
кондитерських виробів»
Керівник магістерської роботи: Микола Хандюк
(ім’я та прізвище, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджені наказом Черкаського державного технологічного університету від
“___”____________2023 року №_____
2 Строк подання студентом магістерської роботи 05.12.2023 р.
3.Вихідні дані до магістерської роботи: технологічні інструкції; робочі
інструкції; патенти; конструкторська документація, наукова та довідкова література
4 Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно
розробити):
Реферат; Вступ; Сучасний стан техніки, технології і теорії виробництва
кондитерських виробів з начинкою; Геометрія кондитерських начинок,
що мають пластичні властивості та обладнання для дослідження; Експериментальне
дослідження роботи шестеренного нагнітача вільного від запертих
зон у впадинах зубів; Вдосконалення процесу нагнітання пружно-в'язко-пластичних
начинок в матеріалопроводі круглого поперечного перерізу; Опис конструкції
роторно-шестеренного нагнітача із вільними від запертих об’ємів у впадинах зубів;
Загальні висновки; Список використаних джерел, Додатки.
5 Перелік графічного матеріалу:
Вступ; Сучасний стан техніки, технології і теорії виробництва кондитерських виробів
з начинкою; Формуючі машини з нагнітачами шестеренного типу; Вибір прототипу
для модернізації та дослідження, теоретичний розрахунок вибраного шестеренчатого
нагнітача з прорізами між зубами; Виготовлення нової конструкції роторного
нагнітача та розрахунок його параметрів і ефективності; Розрахунок реологічних
параметрів начинок; Обчислення продуктивності, витрати, числа Рейнольдса та
реології машини з новим шестеренчатим нагнітачем; Розробка структурної схеми та
2
фізичної моделі осьового роторно-шестеренного нагнітача з конічними шестернями,
що не мають замкненого об'єму у западинах зубів; Технологічна схема виготовлення
карамелі з модернізованим вузлом подачі начинки; Загальні висновки.
6. Консультанти розділів магістерської кваліфікаційної роботи
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання видав завдання
консультанта
прийняв
Розділ 1 Хандюк М.В, ст. викладач
Розділ 2 Хандюк М.В, ст. викладач
Розділ 3 Хандюк М.В, ст. викладач
Розділ 4 Хандюк М.В, ст. викладач
Розділ 5 Хандюк М.В, ст. викладач
7. Дата видачі завдання_______________________________________________
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів магістерської кваліфікаційної Строк
з/п роботи виконання етапів Примітка
проекту (роботи)
1 Розділ 1 18.09.2023
2 Лист 1,2 25.09. 2023
3 Лист 3, 4 03.10. 2023
4 Розділ 2 11.10. 2023
5 Лист 5, 6 16.10. 2023
6 Лист 7 24.10. 2023
7 Розділ 3 28.10. 2023
8 Лист 8 02.11. 2023
9 Розділ 4 09.11. 2023
10 Лист 9 15.11. 2023
11 Розділ 5 25.11. 2023
12 Лист 10 05.12. 2023
Студент дипломник _______________ Олег КОЧЕТКОВ
( підпис ) (ім’я, прізвище)
Керівник магістерської кваліфікаційної роботи _______________ Микола ХАНДЮК
( підпис ) (ім’я, прізвище)
3
РЕФЕРАТ
Магістерська кваліфікаційна робота (МКР) складається з реферату,
вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. МКР
містить 102 сторінки, включає 63 формули, 49 рисунків, 5 таблиць, 20
літературних джерел та 4 додатка.
Мета магістерської кваліфікаційної роботи полягає у розробці та
дослідженні вдосконаленої конструкції пристрою роторного типу для
наповнення начинкою джгута з кондитерської маси, що формується в
наскрізному каналі або в батоні, що обкатується в карамельній масі.
Методи досліджень. Дослідження виконані методами математичного
моделювання та графо-аналітичного аналізу зсуву начинки в матеріалопроводах
за допомогою пристрою роторного типу для наповнення джгута або
начинконаповнювача різними типами начинок.
Об’єкт роботи. Апарат роторно-шестеренчатого типу без запертого
об’єму між зубами для прокачування начинок кондитерських виробів.
Предмет роботи. Вирішення науково-практичних завдань спрямованих
на обґрунтування технологічного процесу прокачування начинок кондитерських
виробів із застосуванням роторно-шестеренчатого апарату.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в удосконаленні
конструкції роторно-шестеренного нагнітача для нагнітання фруктово-ягідних
та жирових начинок у кондитерські вироби.
Практичне значення одержаних результатів полягає у рекомендації до
впровадження модернізованого роторно-шестеренного нагнітача для
мілкосерійних підприємств.
Ключові слова: НАЧИНКА, НАГНІТАЧ, РОТОРНО-ШЕСТЕРЕНЧАТИЙ
АПАРАТ, ТИСК ЗСУВУ, РЕОЛОГІЯ, МОДЕЛЬ ГЕРШЕЛЯ-БАЛКЛІ.
4
ABSTRACT
The master's qualification work (MQW) consists of an abstract, an introduction,
five sections, conclusions, a list of used sources and appendices. MQW contains 102
pages, includes 63 formulas, 49 figures, 5 tables, 20 literary sources and 4 applications.
The purpose of the master's thesis is to develop a new design of a rotary-type
device for filling a confectionery mass harness formed in a through channel or in a loaf
rolled in caramel mass with filling.
Research methods. The research was carried out by methods of mathematical
modeling and graphical and analytical analysis of the filling displacement in material
conduits using a rotary device for filling a harness or filling with different types of
fillings.
Object of work. The device of the rotary-gear type without a locked volume
between the teeth for pumping confectionery fillings.
The subject of work. The solution of scientific and practical problems aimed at
substantiating the technological process of pumping confectionery fillings using a
rotary gear apparatus.
The scientific novelty of the obtained results is to improve the design of the rotary
gear blower for pumping fruit and berry and fat fillings into confectionery products.
The practical significance of the obtained results is to recommend the
introduction of a modernized rotary gear blower for small-scale enterprises.
Keywords: FILLING, BLOWER, ROTARY GEAR APPARATUS, SHEAR
PRESSURE, RHEOLOGY, HERSCHEL-BULKLEY MODEL.
5
ЗМІСТ
ВСТУП ………………………………………………………………………. 8
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ І ТЕОРІЇ
ВИРОБНИЦТВА КОНДИТЕРСЬКИХ ВИРОБІВ З НАЧИНКОЮ……..... 13
1.1 Класифікація способів формування харчових мас………………… 13
1.2 Огляд конструкцій шестеренних нагнітачів для кондитерських
мас…………………………………………………………………….. 14
1.3 Шестеренний нагнітач трубопровідного транспорту……………… 16
1.4 Шестеренні нагнітачі формуючих машин…………………………. 22
1.4.1 Машини з традиційними шестеренними нагнітачами із замкненим
об'ємом у западинах зубів…………………………………………… 23
1.4.2 Пристрої з шестеренними нагнітачами вільними від замкнених
об'ємів у западинах зубів……………………………………………. 27
1.5 Технологічний процес виробництва кондитерських виробів із
начинкою…………………………………………………………….. 32
1.5.1 Технологічний процес приготування фруктово-ягідних
начинок…………………………………………………………......... 32
1.5.2. Технологічний процес утворення джгута з карамельної маси з
начинкою………………………………………………...................... 35
Висновки за розділом 1……………………………………………………… 36
РОЗДІЛ 2. ГЕОМЕТРІЯ КОНДИТЕРСЬКИХ НАЧИНОК,
ЩО МАЮТЬ ПЛАСТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ
ДОСЛІДЖЕННЯ…………………………………………………………….. 37
2.1 Теоретичний розрахунок продуктивності шестеренних нагнітачів 37
2.2 Вибір об'єктів дослідження…………………………………………. 41
2.3 Визначення пластичних властивостей начинок методом
ротаційної віскозиметрії…………………………………………….. 42
2.3.1 Криві течії начинок………………………………………………….. 43
6
2.3.3 Вплив швидкості зсуву на в'язкі властивості начинки для
пряників……………………………………………………………… 47
2.3.4 Вплив механічного навантаження на реологічні властивості
начинок………………………………………………………………. 52
Висновки за розділом 2……………………………………………………… 55
РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ
ШЕСТЕРЕННОГО НАГНІТАЧА ВІЛЬНОГО ВІД ЗАПЕРТИХ
ЗОН У ВПАДИНАХ ЗУБІВ…………………………………………………. 56
3.1 Опис експериментальної установки та методики визначення
продуктивності…………………………………................................. 57
3.1.1 Залежність продуктивності від частоти обертання шестерень…… 57
3.1.2 Витратно-напірна характеристика шестеренного
нагнітача……………………………………………………………… 58
3.1.3 Визначення гідравлічного коефіцієнта опору по довжині
матеріалопроводу під час транспортування жирової начинки…… 59
Висновки за розділом 3……………………………………………………… 69
РОЗДІЛ 4. ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ НАГНІТАННЯ
ПРУЖНО-В'ЯЗКО-ПЛАСТИЧНИХ НАЧИНОК В МАТЕРІАЛО-
ПРОВОДІ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕРІЗУ……………………... 70
4.1 Розробка структурної схеми осьового роторно-шестеренного
нагнітача з конічними шестернями, що не мають замкненого
об'єму у западинах зубів…………………………………………….. 70
4.2 Розробка параметричної схеми функціонування роторно-
шестеренного нагнітачів начинки………………………………….. 73
4.3 Моделювання нагнітання начинок у матеріалопроводі круглого
поперечного перерізу роторно-шестеренними пристроями………. 75
4.3.1 Фізична модель нагнітання пружно-в'язко-пластичних начинок… 76
4.3.2 Математична модель транспортування пружно-в'язко-пластичних
начинок у наскрізному матеріалопроводі круглого перерізу…….. 78
7
Висновки за розділом 4……………………………………………………… 82
РОЗДІЛ 5. ОПИС КОНСТРУКЦІЇ РОТОРНО-ШЕСТЕРЕННОГО
НАГНІТАЧА ІЗ ВІЛЬНИМИ ВІД ЗАПЕРТИХ ОБ’ЄМІВ У
ВПАДИНАХ ЗУБІВ…………………………………………………………. 84
5.1 Пристрій для наповнення начинкою джгута………………………. 84
5.2 Варіанти застосування шестеренних конструкцій
начинконаповнювачів у виробництві різноманітної кондитерської
продукції……………………………………………………………... 88
5.3 Економічний ефект від впровадження нового пристрою………… 91
Висновки за розділом 5……………………………………………………… 92
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ……………………………………………………. 93
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ…………………………………………………….. 94
ДОДАТКИ…………………………………………………………………… 97
8
ВСТУП
У різних технологіях виробництва готової продукції з харчових мас, що
мають пластичні властивості, застосовуються процеси формування виробів з
начинкою. Технічний прогрес вимагає постійного вдосконалення нагнітачів
формуючого обладнання, що є основним обладнанням у потокових лініях
виробництва різноманітної кондитерської продукції з начинками.
Удосконалення нагнітачів, як для гомогенних начинок, так і для начинок,
що містять великодисперсні компоненти, дозволяє інтенсифікувати виробництво
широкого асортименту виробів на автоматизованих і механізованих потокових
лініях в різних галузях харчової промисловості.
В даний час, як нагнітачі формуючих машин кондитерської промисловості
застосовуються, в основному шнекові, шестеренні, валкові, поршневі і
плунжерні нагнітачі, що мають ряд недоліків. До недоліків цих конструкцій
нагнітачів відносяться: «м'яка» витратно–напірна характеристика шнекових,
нестійка витратно–напірна характеристика валкових, надмірна механічна дія на
структуру начинок у шестеренних і зворотний хід поршневих і плунжерних
нагнітачів.
Нестача якісних вітчизняних продовольчих товарів, а також жорстка
конкурентна боротьба виробників на товарних ринках вимагають випускати
конкурентоспроможну продукцію. Виробництва якісної та
конкурентоспроможної продукції кондитерської галузі можна досягти шляхом
удосконалення конструкцій формуючого обладнання для технологічних
процесів виробництва виробів з начинкою.
Удосконалення нагнітачів для начинок, що володіють різними фізико-
механічними властивостями, а також різною характеристикою межі текучості,
необхідно забезпечити об'єднанням позитивних сторін конструкцій відомих
нагнітачів та усуваючи їх недоліки.
Аналіз спеціальної технічної вітчизняної [1-6] та зарубіжної літератури [7-
12] показав, що питаннями вивчення процесів нагнітання різноманітних мас, що
володіють пластичними властивостями та модернізацією технологічного
9
обладнання займався ряд вчених: А.Н. Остриков, Р.В. Торнер, О.В. Абрамов, G.
Schenkel, J. M. McKelvey, та інші [1, 2, 19], а питаннями дослідження реологічних
властивостей харчових середовищ: Г.К. Берман, М.П. Воларович, Г.В.
Виноградов, А.В. Горбатов, А.Д. Малкін, Н.Н. Ліпатов, Б.М. Азаров, Ю.А.
Мачихін, В.П. Корячкін, Ю.В. Клаповський, та інші [14-19].
Своїми дослідженнями вони зробили великий внесок у вивчення реології
процесів нагнітання різноманітних дисперсних матеріалів, у тому числі
харчових, що протікають в екструдерах різних конструкцій. Однак питання
нагнітання неньютонівських багатокомпонентних дисперсних харчових
матеріалів, до яких належать фруктово-ягідні та жирові начинки, вивчені мало.
У зв'язку з цим розробка для кондитерських дисперсних мас
начинконаповнювача роторно–шестеренного типу, вільного від запертих зон, що
має мінімальний механічний вплив на структуру об'єкта нагнітання, є
актуальним завданням, що має важливе теоретичне та прикладне значення.
Актуальність роботи. Удосконалення конструкції роторно-шестеренного
начинконаповнювача роторно–шестеренного типу дозволить забезпечити
часткове заміщення імпортних продуктів харчування вітчизняними, що
спрямоване на вирішення завдання продовольчої безпеки України та
розширення асортименту продукції.
Метою роботи є розробка конструкції пристрою роторного типу для
наповнення начинкою джгута шляхом формування кондитерської маси у
наскрізному каналі шестерень.
Для досягнення заданої мети необхідно вирішити такі завдання:
1) розробити експериментальну установку роторного типу з
шестеренним нагнітачем вільним від замкнених об'ємів у западинах зубів;
2) зробити аналіз робочих процесів у роторному шестеренному
нагнітачі;
3) розробити методику дослідження;
4) здійснити дослідження реологічних властивостей начинок;
5) дослідити витратно-напірні характеристики роторно – шестеренного
10
нагнітача для начинок із пластичними властивостями;
6) розробити структурну та параметричну схеми процесу нагнітання
начинок, що мають пластичні властивості;
7) розробити фізичну, механічну та математичну моделі нагнітання
пластичних мас роторно–шестеренним нагнітачем;
8) розробити пропозиції технічного рішення щодо промислової
реалізації та дати науково обґрунтовані методи розрахунку основних
елементів конструкцій нових роторно–шестеренних нагнітачів для
кондитерських мас із пластичними властивостями.
Об'єкт дослідження – процес виробництва жирових та фруктово-ягідних
начинок для борошняних та цукристих кондитерських виробів.
Предмет дослідження – конструктивне вдосконалення конструкції
роторно-шестеренного начинконаповнювача, вільного від закритих об’ємів і що
має мінімальний механічний вплив на об'єкти нагнітання для виробів з широкого
асортименту кондитерських мас.
Методи досліджень: положення механіки суцільного середовища, сучасні
методи математичного моделювання складних технічних систем та процесів.
На підставі проведеного аналізу основних тенденцій розвитку обладнання
для виробництва кондитерських виробів з начинкою, сучасних проблем та стану
досліджень процесів нагнітання харчових мас, що мають пластичні властивості,
можна сформулювати мету цього дослідження.
Розробка нової ефективної конструкції роторно–шестеренного
начинконаповнювача та вдосконалення процесу нагнітання начинок для
кондитерських виробів.
Наукова новизна роботи.
Визначено раціональні значення геометричних та кінематичних
параметрів робочих органів нагнітача роторного типу вільного від замкнених
об'ємів у западинах зубців шестерень, що нагнітають.
Отримано витратно–напірні характеристики нового шестеренного
нагнітача.
11
Розроблено математичну модель перебігу фруктово-ягідних та жирових
начинок у галузі стаціонарної зсувної течії в каналі матеріалопроводу.
Вивчено зсувну течію фруктово–ягідних та жирових начинок для
кондитерських виробів у кільцевому зазорі ротаційного віскозиметра. При цьому
виявлено реологічні рівняння стану начинок.
Розроблено математичну модель течії начинок, яка дозволила
запропонувати методику інженерного розрахунку матеріалопроводу для подачі
начинки до робочих зон формуючого обладнання.
Практичне значення роботи.
На підставі проведених теоретичних та експериментальних досліджень
удосконалено конструкцію роторно–шестеренного нагнітача для нагнітання
фруктово-ягідних та жирових начинок у кондитерські вироби.
Результати та рекомендації, отримані на підставі проведених досліджень,
використані в розробці пропозиції технічного рішення щодо промислової
реалізації пристрою роторно-шестеренного типу для наповнення начинками, що
володіють пластичними властивостями, корпусів кондитерських виробів, що
формуються способом спільного випресовування в наскрізних каналах або
подачею начинки в батон, а також для коекструзії виробів із начинкою.
Результати теоретичних та експериментальних досліджень процесу
перебігу начинок, що мають пластичні властивості, може бути впроваджено у
навчальний процес.
12
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ І ТЕОРІЇ
ВИРОБНИЦТВА КОНДИТЕРСЬКИХ ВИРОБІВ З НАЧИНКОЮ
1.1 Класифікація способів формування харчових мас
Процеси випресовування харчових матеріалів через відкриті канали
матриць, пресування в замкнутому об'ємі маси що формується, прокатки в зазорі
між несучою і формуючою поверхнями, а також різання, є процесами
пластичного зсуву, що відбувається в матеріалі протягом всієї тривалості
формування і заснованого на релаксаційному механізмі у результаті на нього
зусиль з боку робочих органів формуючого устаткування [3-14].
У зв'язку з відомою технологічною ефективністю випресовування [1, 2],
даний спосіб оцінюється як найбільш прогресивний спосіб формування
різноманітних матеріалів, у тому числі і харчових, і на його реалізацію
орієнтуються фахівці у практиці створення формуючих машин [13-17].
Випресовування широко застосовується в різних галузях харчової
промисловості – на підприємствах макаронного виробництва, на
хлібопекарських підприємствах при формуванні виробів з тіста, солодкої та
солоної соломки, хлібних паличок [1-3], на кондитерських підприємствах при
формуванні цукерок [12-14] та борошняних кондитерських виробів,
підприємствах м'ясної [1,2, 5, 7, 11] та молочної промисловості, на заготівельних
підприємствах масового харчування. Крім зазначених галузей випресовування
ефективно використовується при переробці термопластичних матеріалів [4, 9],
при виробництві виробів з поліетилену [4, 9, 10, 11], при високошвидкісному
формуванні волокон, нанесенні ізоляційних матеріалів для покриття проводів та
інших процесах [14].
Формування випресовування з утворенням нової поверхні можна
представити наступним чином. Локалізований обсяг матеріалу, що надходить з
передматричної камери у формуючий канал матриці, при контакті з кромкою
отвору на вході у формуючий канал піддається зростаючому тиску, що
забезпечує в цій області перевищення напруг, що виникають над руйнуючими
13
структуру формуваного матеріалу напругами зсувної течії [6, 7, 9, 10].
При цьому локалізація деформацій по периметру кромки входу дозволяє їй
переміщуватися вздовж каналу матриці при частковому віддаленні рухомого
матеріалу від стінки каналу в приосьову зону з меншою дотичною напругою,
створюючи епюру швидкостей зсувної течії. Епюра швидкостей елементарних
шарів матеріалу остаточно трансформується з прямокутного профілю на кромці
входу в канал в параболічний профіль течії в кінці вхідної ділянки формуючого
каналу, в тому числі з квазі-твердим ядром потоку в приосьовій зоні каналу і П-
ефектом на контактній поверхні внутрішньої стінки каналу [8].
Таким чином, отримання нової поверхні у випадках безперервного або
періодичного випресовування харчового матеріалу через формуючі канали
відбувається в результаті силового впливу з боку робочих поверхонь
формуючого інструменту, що забезпечують нормальний тиск і дотичний зсув
матеріалу у формуючому каналі при одночасній релаксації пружних напруг [16,
17].
1.2 Огляд конструкцій шестеренних нагнітачів для кондитерських
мас
Формуюче обладнання є основним обладнанням потокових ліній
кондитерського виробництва. Саме формуюче обладнання визначає ступінь
механізації та автоматизації потокових ліній виробництва кондитерських
виробів [15-17].
Процес формування широкого асортименту продукції кондитерських
виробництв здійснюється нагнітачами різної конструкції.
У кондитерській промисловості найбільш широко застосовуються такі
основні типи нагнітачів. Це поршневі, валкові, шестеренні, шиберні та шнекові
[19, 20].
Нагнітачі шнекового типу найбільш вивчені та широко застосовуються у
різних галузях харчової промисловості. Широта їх застосування визначається
безперервністю подачі маси, можливістю створення необхідного для
14
видавлювання маси тиску, простотою завантаження об'єкта нагнітання,
можливістю термостатування маси, що нагнітається, в процесі переміщення її по
каналу шнека [11-14].
Через особливості роботи поршневих нагнітачів, а саме, через наявність
зворотно-поступального руху робочого органу – поршня, і періодичність подачі
матеріалу в зону формування, поршневі нагнітачі знайшли обмежене
застосування в кондитерській промисловості. Вони використовують у процесах
виливки харчових мас [11-14].
Валкові нагнітачі, встановлені у формуючих машинах, не повною мірою
реалізують можливості закладені в їх конструкції. Велике значення для стійкої
роботи валкових нагнітачів мають стабільність живлення валків і характер руху
маси, що формується [11-14].
Шиберні нагнітачі практично не використовуються у кондитерській
промисловості [11-14].
Шестеренні насоси набули широкого поширення в харчовій
промисловості. Шестеренні насоси використовуються для перекачування
в'язкопластичних матеріалів. Найчастіше шестеренні насоси використовуються
для перекачування:
• шоколадних мас;
• олій какао–бобів;
• жирів;
• патоки;
• різних емульсій;
• м'ясного фаршу.
Головними робочими органами шестеренних насосів є дві шестерні. При
цьому існують три схеми компонування насоса (рис. 1.1) [7].
Шестеренний насос працює наступним чином (рис.1.1). Рідина
переноситься з всмоктуючої області на нагнітальну між зубцями шестерень у
западинах. Щоб ефективність роботи такого насоса була високою, необхідно
підтримувати щільне зачеплення шестерень. Інакше рідина переміщатиметься із
15
боку нагнітання у бік всмоктування [7].
Рисунок 1.1 – Компонувальні схеми шестеренних насосів: а) – із зовнішнім
розташуванням шестерень: 1 – ведуча шестерня, 2 – ведена шестерня, 3 – корпус,
4 – всмоктувальний патрубок, 5 – патрубок нагнітаючий; б) – з внутрішнім
розташуванням шестерень: 1 – ведуча шестерня, 2 – ведена шестерня-півмісяць,
4 – корпус; в) – багатошестеренний насос із зовнішнім розташуванням
шестерень: 1 – ведуча шестерня, 2, 3 – ведені шестерні, 4 – всмоктувальні
патрубки, 5 – нагнітальні патрубки
1.3. Шестеренний нагнітач трубопровідного транспорту
До шестеренних нагнітачів трубопровідного транспорту з внутрішнім
зачепленням відносяться шестеренні насоси, провідна шестерня яких
розташована ексцентрично [7].
Компанією Victor Pumps (Німеччина) випускаються промислові
шестеренчаті насоси, в яких шестерні знаходяться у внутрішньому зачепленні,
при цьому одна з шестерень розташована ексцентрично (рис. 1.2, а, б) [8].
При роботі насоса ротор 1 (рис. 1.2, а) [8], встановлений на приводному
валу, приводить в рух ведену шестерню 2. Внаслідок ексцентричного положення
ведучої шестерні 1, яка спирається на «півмісяць» 3, при обертанні створюється
зміна об'єму між зубами шестерень призводить до створення розрідження та
16
всмоктування рідини.
а)
б)
Рисунок 1.2 – Шестерневі насоси з ексцентриковою шестернею компанії
Victor Pumps: а) – розріз, що показує внутрішнє зачеплення; б) – зовнішній
вигляд з розрізами, які показують внутрішню структуру насосів.
17
Основною перевагою шестеренних насосів з ексцентриковою шестернею
компанії Victor Pumps є те, що маса, що перекачується, дбайливо переміщається
до виходу насоса і витісняється із зазору між шестернями. Такий принцип дії
забезпечує всмоктувальну здатність насоса, відсутність протитечії рідини,
відсутність пульсації потоку на виході насоса [7, 8].
Особливості шестеренних насосів [7]:
– постійний робочий обсяг;
– низький рівень шуму під час роботи;
– невелика пульсація витрати;
– високий ККД навіть за невеликої в'язкості за рахунок компенсації у
щілинних ущільненнях;
– тривалий термін служби за рахунок підшипників ковзання та
компенсації у щілинних ущільненнях;
– підходять для широких діапазонів в'язкості та швидкостей обертання;
– дуже хороша всмоктувальна здатність (рис. 1.3, 1.4) [9]
Рисунок 1.3 – Шестеренний насос з внутрішнім зачепленням:
1 – корпус, 1.1 – кришка підшипника, 1.2 – кришка для приєднання,
2 – шестерня з внутрішнім зачепленням, 3 – вал шестерні, 4 – підшипники
ковзання, 5 – аксіальні прокладки, 6 – упорний штифт, 7 – сегментна вставка, 7.1
– сегмент, 7.2 – сегментний тримач 7.3 – ущільнювальні ролики; 9 –
гідростатичний підшипник.
18
Рисунок 1.4 – Насос з внутрішнім шестеренним зачепленням
Компанія Victor Pumps, крім насосів із внутрішнім зачепленням, випускає
шестеренні харчові насоси серії Ciocco (рис. 1.5). Дані насоси призначені для
перекачування харчових середовищ: шоколадної маси, олії какаобобів,
напівфабрикатів шоколадного виробництва, патоки, карамелі, меляси,
кулінарного жиру, маргарину і пальмового масла.
а) б)
Рисунок 1.5 – Насоси для шоколадних мас Ciocco: а) – вид спереду,
б) – вид ззаду.
Ці насоси дозволяють перекачувати харчові в'язкопластичні маси високої
в'язкості, що містять тверді включення, харчові маси, які "склеюються" і
застигають при охолодженні до температури від 20 до 35°С, а також матеріали,
характеристики яких змінюються в широких межах.
19
Рисунок 1.6 – Шестеренні насоси ШНК
Переваги шестеренних насосів (рис. 1.6) [8] полягають у наступному:
Простота в експлуатації та обслуговуванні;
Універсальність конструкції та настановних та приєднувальних розмірів
для різних виконань;
Можливість виготовлення із сорочкою обігріву;
Можливість виготовлення насоса на підшипниках кочення;
Низька швидкість обертання робочих органів значно збільшує термін
служби агрегату [8].
Рисунок 1.7 – Шестеренний насос (у розрізі): 1 – вхід, 2 – корпус, 3 – перша
шестерня, 4 – вихід, 5 – канал, 6 – друга шестерня.
20
Відома конструкція шестеренного насоса з внутрішнім зачепленням
шестерень [6], який складається з корпусу 2, каналу 5, вхідного 1 і вихідного 4
патрубків і двох шестерень 3 і 6 (рис 1.7, 1.8) [6].
Шестеренний насос (рис. 1.8) [6] призначений для перекачування харчових
пластичних мас з високим вмістом твердих частинок, тваринних та рослинних
жирів, цукрових розчинів. Насос дозволяє продавлювати харчові суміші через
екструзійні матриці. Насос працює в такий спосіб. Харчова пластична маса
надходить через вхідний патрубок 1 (рисунки 1.9, 1.10) у вхідний канал 5,
захоплюється двома шестернями 3, що знаходяться в зачепленні, і
продавлюється через вихідний канал 4 патрубка 5 (рис. 1.8, 1.9).
Дана конструкція дозволяє знизити витрати на обслуговування, скоротити
час заводського простою, перекачувати масу при дуже високих робочих тисках і
температурах, працювати з в'язкими продуктами і давати стабільний потік
харчової пластичної маси.
Для перекачування м'ясного фаршу та м'ясних напівпродуктів
використовуються шестерні насоси, представлені на малюнках 1.8 та 1.9 [7].
Конструкція шестеренного насоса для м'ясопродуктів (рис. 1.8) включає
передню кришку 1, корпус 2 і дві шестерні 3, що зачіпаються (рис. 1.9) [7].
Рисунок 1.8 – Шестеренний насос для м'ясних фаршів та продуктів:
1 –передня кришка; 2 – корпус; 3 – шестерня
21
М'ясопродукти подаються по вхідному патрубку всередину насоса,
захоплюються двома шестернями 3, що зачіплюються, обертаються назустріч
один одному і нагнітаються у вихідний патрубок (рис. 1.9) [7].
Рисунок 1.9 – Шестеренний насос із пристроєм, що зменшує зворотний
перепуск: 1 – опорні втулки, 2 – провідна шестерня, 3 – корпус, 4 – ведена
шестерня, 5 – осі шестерні
1.4 Шестеренні нагнітачі формуючих машин
Шестеренні нагнітачі знайшли застосування не тільки в насосах, які
використовуються для перекачування пластичних харчових мас, але також
шестеренні нагнітачі широко застосовуються у формуючому обладнанні
кондитерських виробництв для створення тиску в передматричній зоні [3-5].
Для формування джгутів з кондитерських мас широко використовуються
пристрої, які містять як роторний нагнітач пару шестерень, розміщених в
корпусі, який може змінювати температуру, в якому також змонтований
валковий або шестеренний бункер для подачі маси, що формується в міжзубових
порожнинах нагнітальних шестерень [2]. Пристрої мають формуючі матриці з
отворами, виконаними з твердих конструкційних матеріалів [3-5].
22
1.4.1 Машини з традиційними шестеренними нагнітачами із
замкненим об'ємом у западинах зубів
Шестеренні нагнітачі із замкненим об'ємом у западинах зубів
встановлюються на кондитерські преси різної конструкції [3].
Відомий екструдер ШВФ–22 [6], що містить шестеренні нагнітачі 5
(рис.1.10), призначений для видавлювання цукеркової маси при виробництві
пралінових цукерок.
Він має передматричну камеру, перегородки, що утворюють секції у
кожного вихідного отвору. Це вирівнює швидкості у джгутів, що видавлюються.
Бункер 1 закріплений на корпусі 2 з розташованими в ньому рифленими валками
3. У корпусі нагнітача 4 обертаються шестеренні нагнітальні ротори 5, виконані
з набору шестерень. Передматрична камера 7 має вертикальні формуючі канали
8. У нижній частині корпусу нагнітача та передматричній камері є вертикальні
перегородки 6, які ділять корпус та камеру на окремі секції [6].
Рисунок 1.10 – Схема екструдера ШВФ-22
Бункер, корпус нагнітача та нагнітач, а також передматрична камера мають
кожух для обігріву [6].
Цукеркова маса витягується з бункера рифленими валками 3 і подається
23
рівномірно по всій довжині шестеренних роторів 5. Вони нагнітають масу у
передматричну камеру 7 і з неї через формуючі канали 8 видавлюються джгути
9 пралінової маси [8].
На рисунку 1.11 представлена шнеково-шестеренна формуюча машина
[9], що складається з частини 1, що подає, і формуючої частини 2. Маса, що
подається шнеком 4, видавлюється парою валків 3 шестерного типу. Процес
формування безперервний, що забезпечує надійну роботу такого шнеково-
шестеренного екструдера.
Рисунок 1.11 – Схема шнеково-шестеренної машини
Машина ШПФ з шестеренним ротором [3] призначена для випресовування
цукеркових джгутів (рис.1.12). Формуючі вузли та механізми монтуються на
корпусі станини 2. Цукеркова маса подається у камеру подачі 15. З циліндричної
камери 13 маса шнеком 12 направляється в камеру 14, де вона захоплюється
зубами шестеренних роторів 11, що обертаються. Останні нагнітають масу в
камеру змінної матриці 21, закріпленої в рамці 20. Робота шнека 12 здійснюється
від електродвигуна 6 через редуктор 5, ланцюгову передачу 9 з веденою
зірочкою 10. Робота одного з роторів здійснюєтсья від електродвигуна 1 через
ланцюгову передачу 4 з веденою зірочкою 7 і зубчасту передачу 8 [3].
24
Рисунок 1.12 – Загальний вигляд формуючого преса ШПФ з шестеренним
нагнітачем.
З каналів матриці 21 виходять джгути 23, які рівномірно лягають на
конвеєрну стрічку 22 і обдуваються повітрям, що подається з дифузора. В
результаті на поверхні джгутів утворюється дещо затверділа скоринка на
поверхні джгутів, що запобігає прилипанню джгутів до стрічки конвеєра та
усуває її забруднення. Стрічка 22 з джгутами 23 укладається на сітчастий
конвеєр 24 охолоджувальної камери, в якій джгути тверднуть [3].
Камера 18 нагнітальних роторів забезпечена кожухом 17 в якому
регулюється температура, для підтримки необхідної температури формуючої
маси. Вода у кожух подається штуцером 19 [3].
При довжині нагнітальних роторів 500 мм матриця має 18...20 каналів.
Відома конструкція кондитерського преса для формування джгутів з
м'яких сортів цукеркових мас, наприклад, пралінових (рис. 1.13) [3].
25
Рисунок 1.13 – Схема формуючого преса з шестеренним нагнітачем
До складу преса входить: 1 дифузор, 2 камера нагнітальних валків, 3
водяний кожух нагнітальних валків, 4 камера подачі маси на нагнітальні
шестерні, 5 циліндрична камера розподільного шнека, 6 лійка приймальна, 7
кінець вала шнека розподілювального, 8 розподільчий шнек, 9 штуцер подачі
води для регулювання температури, 10 зірочка приводу розподільного шнека, 11
вал верхньої нагнітальної шестерні, 12, 13 нагнітаючі шестерні, 14 рамка
кріплення матриці, 15 вал нижньої нагнітаючої шестерні, 16 змінна матриця, 17
станина кріплення преса, 18 зірочка ланцюгової передачі, 19 квадратне гніздо
шнека, 20 болти, 21 торцьова кришка камери, 22 транспортерна стрічка [3].
Відома відсадна машина для цукерок типу "Трюфель" [8] (рисунок 1.14).
У комплектацію входить блок рециркуляції теплоносія, що складається з
резервуару для води, насоса, нагрівального елемента та з'єднувальних шлангів.
Блок рециркуляції призначений для обігріву камери випресовування та вирви.
Управління нагріванням рециркуляції здійснюється термоконтролером через
датчик температури води, встановлений у системі обігріву. Увімкнення нагріву
можливе лише за наявності води в системі рециркуляції, що контролює датчик
рівня води [8].
26
Рисунок 1.14 – Відсадна машина для цукерок типу «Трюфель» призначена
для відсадження високорецептурних куполоподібних пралінових цукерок типу
"Трюфель", "Прометей" тощо.
1.4.2 Пристрої з шестеренними нагнітачами вільними від замкнених
об'ємів у западинах зубів
Для формування суцільних корпусів м'яких сортів цукерок
використовуються пристрої з шестеренними нагнітачами вільними від
замкненого об'єму в западинах зубів.
На рисунку 1.15 представлено схему пристрою великої продуктивності [3]
для формування джгутів або пластів з м'яких сортів цукеркових мас.
Даний пристрій відноситься до кондитерської промисловості та
призначений для одночасного формування до 25 джгутів або 2 пластів з
цукеркових мас м'яких сортів цукерок залежно від встановленої на прес змінної
матриці [3]:
− матриця з формуючими каналами прямокутного поперечного перерізу
розміром 19×14 мм;
− матриця з формуючими каналами прямокутного поперечного перерізу
розміром 18х13 мм;
27
− матриця для батончиків з формуючими каналами діаметром 21 мм;
− матриця прямокутного перерізу 475 х 8 (12) мм для пластів з
вафельними листами [3].
Рисунок 1.15 – Схема пристрою для формування джгутів пралінових
цукеркових мас великої продуктивності
Пристрій містить змонтовані в терморегульованому корпусі 1
порожнисті шестерні 2, що зачіпляються, мають радіальні наскрізні прорізи 3
у западинах, вкладиші 4, розміщені всередині шестерень 2, передматричну
камеру 5, матрицю 6 з формуючими отворами 7, два подаючих масу шнека 8,
які розподіляють формовану масу по довжині нагнітаючих шестерень. Кожен
із вкладишів 4 виконаний порожнистим і має наскрізний паз 9 і сегментний зріз
10. Шнеки для подачі 8 змонтовані всередині вкладишів 4 на валу 11 [3].
Шестерні 2 і шнеки 8 мають приводи 12 і 13. З торцевої сторони пристрою
розташована лійка 14 [3].
На малюнку 1.16 показано схему пристрою преса великої продуктивності
для формування джгутів з цукеркових мас з великодисперсними компонентами
[6].
До складу пристрою входить темперований корпус 1, двовалковий
бункер подачі 2 і камерою живлення «а», шестеренний нагнітач з порожнистих
парних отворів 3 у западинах зубів шестерень 4 і 5, набраних в приводний ротор
6, в якому шестерні 4 з'єднані між собою 7, і ведений ротор 8, вкладиші 9 з
поздовжніми пазами 10, що мають циліндричні робочі поверхні 11,
передматричну камеру нагнітання 12, матрицю 13 з формуючими каналами 14,
перегородки 15 у вкладишах та перегородки 16 в камерах живлення та
нагнітання [6].
28
Рисунок 1.16 – Схема преса для формування джгутів з
крупнодисперсними компонентами (Патент №2274551)
Перегородки 16 в камерах живлення або нагнітання можуть бути
виконані складовими і розміщуватися між шестернями перед встановленням
збірних роторів нагнітачів в корпус пристрою або цільними, при цьому
перегородки набираються по черзі з шестернями при наборі роторів, що
нагнітають, але при будь-якому варіанті виконання сегментні зрізи вкладишів
самостійно встановлюються окремо пластинами або вифрезерованими
перегородками 15 [6].
На рисунку 1.17 представлена схема шестеренного преса для формування
джгутів, пластів та корпусів кондитерських виробів (патент № 1761095) [1].
Пристрій дозволяє формувати кондитерські джгути та пласти, а також
окремі корпуси виробів відсадкою з різноманітних кондитерських мас з різними
в'язкісними характеристиками та фракційним складом великодисперсних та
функціональних компонентів [1].
Пристрій містить нагнітальні порожнисті шестерні 1 з наскрізними
прорізами 2 у западинах, отворами 3 в маточках для пропускання стисненого
повітря і отворами 4 для викиду відпрацьованого повітря в атмосферу, нерухомі
вкладиші 5 з сегментними зрізами 6, глухими пазами 7 каналами 8 й 9 подачі та
випуску стисненого повітря в порожнину кожного вкладиша і з неї в атмосферу
або вакуумну систему брусками (поршнями) 10, еластичними пластинами 11,
29
ущільнювачами 12, передматричну камеру 13 зі змінною матрицею 14 і
формуючими отворами 15.
Завдяки перспективності, економічності способу стратифікації течії
коекструзія набуває все ширшого розвитку і поширення в різних передових
технологіях, пов'язаних з діяльністю людини, зокрема і в галузях добувної та
переробної промисловості [3].
На рисунку 1.18 представлена схема пристрою для формування джгутів з
м'яких сортів цукерок з шестеренним нагнітачем малої продуктивності для
формування джгутів з цукеркових мас [6], у тому числі з велико-дисперсними
компонентами [7].
30
Рисунок 1.17 – Схема преса для формування джгутів, пластів та корпусів
виробів (патент № 1761095)
Пристрій містить корпус 1, що може підігріватися з встановленими в ньому
двовалковим бункером 2 і шестеренним нагнітачем 3, змонтованим в його
торцевій частині з утворенням камери змінну матрицю, циліндричні вставки 6 і
7, кожна з яких має поздовжній паз 8, утворює канал з похилим дном і вихід
прямокутної форми. Шестеренний нагнітач 3 виконаний порожнистим і має
радіальні наскрізні прорізи 10 у западинах зубів 11 [6].
Рисунок 1.18 – Схема пристрою преса малої продуктивності
На рисунку 1.19 зображено конструкцію пристрою для формування
коекструзією джгутів з м'яких сортів цукеркових мас, у тому числі і з
великодисперсними компонентами, яка може застосовуватися для формування
складових джгутів у наскрізних формуючих каналах. Пристрій містить нагнітачі
1 і 2 для начинки і для маси корпусу цукерки, матрицю 3 з формуючими
отворами 4, нерухомі вкладиші 5 з трубками 6 для подачі начинки у формуючі
отвори 4 матриці 3. Нагнітачі 1 і 2 виконані у вигляді порожнистих 7 радіальні
прорізи 8 у западинах. Вкладиші 5 змонтовані всередині шестерень 7, і кожен з
них має клиноподібний паз 9, з'єднаний з вхідним перерізом трубок 6, і похилий
торець 10, звернений у бік формуючих змінних каналів 4 [8].
31
Рисунок 1.19 – Схема пристрою преса з шестеренним нагнітачем для
формування джгутів прямокутного поперечного перерізу з начинкою
(А.С.1528421)
1.5 Технологічний процес виробництва кондитерських виробів із
начинкою
1.5.1 Технологічний процес приготування фруктово- ягідних начинок
На рисунку 1.20 представлено машинно-апаратурну схему підготовки
начинки. Бочки 1 з сульфітованими фруктово-ягідними заготовками у вигляді
пюре або пульпи подаються в бочкомийку 2. Пульпа з бочок бочкопідйомником
3 вивантажується в десульфітатор-ошпарювач 4 зі шнеком, потім пульпа
перемішується і з неї видаляється сірчистий газ. Потім вона надходить у збірник
5, звідки насосом 6 подається на протирочну машину 7. Тут маса протирається
валками, що обертаються, через сітчастий барабан і збирається в проміжну
ємність. З ємності 8 пюре насосом через фільтр подається в змішувач 9, куди
додається в потрібній пропорції сироп, що подається з сиропної станції, та патока
[3].
Приготовлена фруктово-ягідна суміш вологістю 45-50% перекачується
трубопроводами через фільтр 2 в збірник 1 (рис. 1.20) агрегату для уварювання
начинки. З ємності 1 суміш плунжерним насосом 3 подається в змійовик
варильного апарату 4, обігрівається парою надлишковим тиском до 0,45 МПа.
Суміш проходить змійовик протягом 3 хв. Начинка разом з вторинною парою
виходить у паровідділювальний циклон 5, з якого пара відсмоктується
32
вентилятором, а начинка стікає в терморегульовану машину 6. Для контролю за
температурою увареної начинки на виході з циклону встановлений термобалон
манометричного термометра [3].
Рисунок 1.20 – Схема станції для приготування фруктово–ягідних начинок:
а) – ділянка для підготовки суміші для начинки; б) – агрегат для безперервного
уварювання та охолодження начинки
Температура начинки коливається в межах 115 – 118 °C, що відповідає її
кінцевій вологості 17 – 19 % [3].
Для введення есенції передбачений дозатор 7. У терморегульованій
машині начинка безперервно охолоджується до 70 – 75 °C. Ця машина одночасно
є проміжною ємністю, що компенсує можливу нерівномірність надходження чи
витрати начинки. Маса, що знаходиться в терморегульованій машині, завдяки
33
інтенсивному перемішування набуває середню температуру, близьку до
температури вихідної начинки. Внаслідок порівняно невеликої швидкості
надходження гарячої начинки вона рівномірно розподіляється у загальній масі.
Процес охолодження триває менше 1 хв [3].
Уварювання застосовуваних у карамельному виробництві фруктово-
ягідних начинок у сферичних вакуум апаратах періодичної дії та температурний
контроль начинок на підприємствах малої потужності проводиться окремо.
Уварювання начинок у сферичних вакуум-апаратах періодичної дії в результаті
тривалого теплового впливу на цукрово–фруктову суміш тривалістю близько 40
хв робить її темною, зі зниженою в'язкістю через руйнування пектину [3].
У вакуум–апаратах змієвикового типу час уварювання начинки скорочено
до 3 – 4 хв, при цьому через відсутність пригоряння маси до внутрішньої
поверхні змійовика начинка виходить світлою з хорошими фізико-механічними
показниками [3].
При варінні начинок кількість випареної вологи в 2,5 – 3 рази більше в
порівнянні з варінням карамельної маси. Тому збільшують об'єм випарної
камери. Вивантаження готової начинки у такому випадку проводиться
періодично, як і при уварюванні карамельної маси [3].
Станція підготовки начинки включає обладнання для підготовки суміші
начинки і агрегат для безперервного уварювання і охолодження начинок [3].
У вихідному штуцері терморегульованої машини встановлений
термобалон манометричного термометра для контролю температури начинки,
що виходить [3].
Готова начинка плунжерним насосом 8 нагнітається в кільцеву лінію, що
проходить над начинконаповнювачами 9 карамелеобкаточних машин 10,
встановлених в лініях виробництва карамелі. Надлишок начинки відводиться по
зворотній гілці в машину, що темперує [3].
Регулювання вологості начинки здійснюється за показаннями термометра
шляхом зміни тиску пари, а регулювання температури – зміною витрати води в
кожусі терморегульованої машини [3].
34
1.5.2 Технологічний процес утворення джгута з карамельної маси з
начинкою
Формуванню карамельних та інших кондитерських виробів (наприклад,
ірису) передує приготування джгута із пластичної маси. При цьому залежно від
асортименту виробів джгут готується з прожилкою начинки всередині або без
начинки [5, 9].
Шляхом обкатки формованій масі спочатку надають форму конусного
батона, який потім витягується, калібрується в джгут потрібного діаметра і
подається на формування виробів [5, 9].
Для підготовки джгутів карамельних та інших мас застосовуються кара-
мелеобкатувальні машини, що надають масі форму конусного батона за
допомогою обертових конічних рифлених веретен, і джгутовитягуючі-
калібруючі пристрої, що витягують і калібрують з карамельного батона джгут
потрібних розмірів за допомогою системи роликів.
На рисунку 1.21 показано принципову схему утворення джгутів з
кондитерських мас. Суцільний джгут без начинки всередині (рис. 1.21, а)
готується при формуванні льодяникових сортів карамелі або ірису. На рисунку
1.21, б показано утворення джгута з густою горіхово-шоколадною або
прохолодною начинкою всередині, що отримується з так званого «пирога», який
готується вручну при напівмеханізованому виробництві карамелі типу «Рачки»,
«Сяйво» та ін. Утворення рідкої фруктово-ягідної начинки за допомогою
начинконаповнюючого насоса показано на рисунку 1.21 в) [5, 9].
До обладнання для підготовки джгута відносяться: горизонтальні
карамелеобкатувальні машини з начинконаповнювачем для карамелі з
начинкою; а також вертикальні карамелеобкатувальні машини;
джгутовитягувачі для витягування та калібрування джгута з батона; кільцеві
складальники, що застосовуються для механізації складання карамельного
джгута при виробництві деяких сортів карамелі з начинками, які розмішещі
шарами з карамельною масою [5].
35
Рисунок 1.21 – Схема утворення карамельного джгута з фруктово-
ягідними начинками: а) – суцільний джгут, б) – джгут утворений з начинки типу
«пиріг», в) – джгут з рідкою начинкою
Висновки до розділу 1
Аналіз сучасного стану техніки, технології та теорії виробництва
кондитерських виробів з начинкою дозволяє зробити такі висновки:
1. Вивчено технологічні процеси та зразки технологічного обладнання
для масового виробництва кондитерських виробів з начинкою.
2. Встановлено, що існуючі конструкції нагнітачів мають недоліки, що
обмежують інтенсифікацію виробництва високоякісних кондитерських виробів
з начинкою, включаючи спільне формування складових джгутів, що містять різні
за кольором та складом кондитерські маси.
3. Вивчено конструкції пристроїв з шестеренчатими нагнітачами
вільними від защемлюваного об'єму у западинах зубів для формування
суцільних корпусів м'яких сортів цукерок та пристрої для формування корпусів
виробів з начинкою.
36
РОЗДІЛ 2. ГЕОМЕТРІЯ КОНДИТЕРСЬКИХ НАЧИНОК,
ЩО МАЮТЬ ПЛАСТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТА ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ
ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1 Теоретичний розрахунок продуктивності шестеренних нагнітачів
Процес нагнітання кондитерських мас роторно-шестеренними робочими
органами формуючих пристроїв безперервної дії характеризується значною
складністю. Навіть розрахунок продуктивності шестеренних машин, що
перекачують рідини низької в’язкості за існуючими розрахунковими
формулами, призводить до розходження з експериментальними даними в межах
5 - 30% [12].
Визначимо теоретичну продуктивність роторно-шестеренного нагнітача,
використовуючи баланс енергії на формуючих шестернях. Вважаємо, що
коефіцієнт перекриття дорівнює одиниці ( п = 1), і передматрична камера
відокремлена від камери живлення (зона завантаження) тільки однією поточною
точкою зачеплення «а», яка знаходиться на відстані від осі обертання веденої
шестерні. При стаціонарному процесі витіснення форми, що формується, коли
робочі шестерні обертаються з постійною частотою обертання, запишемо вираз
енергії, що передається харчовій масі для створення надлишкового тиску в
передматричній камері [12]:
A = (p2 − p1)dV = ΔpdV (1.1)
де dV – об’єм маси, що формується і яка нагнітається в передматричну
камеру за час dt;
р1 і р2 – загальний тиск у зоні завантаження та передматричній камері.
Підведення цієї величини енергії до кондитерської маси, що нагнітається,
можливе при наданні обертання ведучої і веденої шестерням відповідними
моментами М1 і М2, які визначаються робочим тиском в передматричній камері
(рисунок 1.2) [14].
37
Рисунок 2.1 Схема робочої зони осьового шестеренного нагнітача
ΔpdV = M1 d��1 + M2 d��2 = M1��1dt + M2��2dt;
(R2−x2 2
1 1)⋅b (R −x2)⋅b
M1 = Δp ; M = Δp 2 2
1 , (1.2)
2 2
де R1 і R2 – радіуси головок ведучої та веденої шестерень;
d��1 = ��1dt та d��2 = ��2dt – кути повороту ведучої та веденої шестерень.
Зазвичай роторно-шестеренний нагнітач виконують з робочими
шестернями однакової геометрії, для яких кутові швидкості також будуть
однаковими [17].
d��1 = d��2, ��1 = ��2 = ��. (1.3)
Запишемо рівняння балансу енергії, враховуючи, що Q = ����/���� є
об'ємною продуктивністю, а також враховуючи рівність для розділяючого кола
��1��1 = ��2��2 шестерень [17]:
2 2
dV b(R1−x1)
0 b(R2
2−x2
2)��
= + (1.4)
dt 2 2
38
Остаточно вираз теоретичної миттєвої об'ємної продуктивності буде:
b�� r
Q = 1 [(R2 − x2) + 1 (R2 2
T 1 2 − y )] (1.5)
2 2
Миттєва продуктивність роторно-шестеренного нагнітача
визначатиметься від поточного положення точки зачеплення «а» зубців
шестерень [17].
Точка «а» при повороті шестерень на кут проходить шлях 2m
по висоті кожного зуба, переміщаючись за профілем зуба ведучої шестерні від
його основи до вершини, а за профілем зуба веденої шестірні – від вершини до
основи.
На малюнку 1.2 представлена схема роторно-шестеренного нагнітача при
положенні точки зачеплення "а" на осі симетрії. Для цього випадку можна
записати вираз миттєвої теоретичної продуктивності як суми q1 та q2 миттєвих
складових продуктивностей кожного ротора, де h1 і h2 відповідно поточні
значення робочих висот зубів ведучої та веденої шестерень, а х1 і х2 поточні
відстані від осі обертання шестерень до центрів тиску поверхонь зубів:
Q = q1 + q2 = ������1 h1 + b����2 h2;
m (1.6)
��1 = ��2 = ro + ; h = h = m
2 1 2
Для симетричного положення точки зачеплення «а» вираз миттєвої
теоретичної продуктивності відповідає максимальній:
m
Qmax = 2bm�� (ro + ) (1.7)
2 1
Обертання шестерень змінює положення точки зачеплення «а» і в момент
її знаходження в кінці зачеплення пари зубів, параметри будуть відповідати:
h1 = 0; r1 = ro + m
h2 = 2m; r2 = r0, (1.8)
вираз миттєвої продуктивності буде відповідати мінімальному значенню і
виразиться формулою: Qmin = q2 = 2����r0 m.
Ця величина мінімальної продуктивності за коефіцієнта перекриття п = 1
відповідає умові зачеплення чергової пари зубів з наступними значеннями
39
параметрів: h1 = 2 m; r2 = ro + m; h2 = 0; ��1 = r0
На підставі викладеного можна зробити висновок, що миттєва
продуктивність Q, що відповідає довільному положенню точки зачеплення зубів
шестерень, буде змінюватися в межах значень Qmax і Qmin, різниця граничних
значень якої буде відповідати максимальній амплітуді коливання значень
продуктивності.
Для інженерних розрахунків застосовується вираз середнього значення
теоретичної продуктивності:
ΔQ = Q 2
1 − Q2 = m b��
��
�� = ������+��������
���� = ������������(���� + ��)�� (1.9)
��
або Qcp = 2��nbm2(z + 1). (1.10)
За умови відведення маси, що запирається в міжзубових западинах
нагнітаємого об’єму в нагнітальну порожнину (передматрична камера), вираз
середньої продуктивності для евольвентного профілю зубців нагнітальних
шестерень з модулем зубів від 8 до 15 з кутом зачеплення 20° має погрішність 2-
3%, що дає підставу вважати цю формулу точною для інженерних розрахунків.
Зауважимо, що продуктивність роторно-шестеренного нагнітача визначається
лише параметрами зачеплення і не залежить від об’ємів западини та тіла зуба.
При цьому зі зменшенням товщини зуба збільшується «шкідливий» простір
запертого об’єму.
Приблизно можна розрахувати продуктивність, як добуток робочого
об'єму та частоти обертання [17]:
Q = qn = 2��d0mbn, (1.11)
яка передбачає рівність об'ємів западин та висоти зубів.
Цю формулу можна представити так:
Q = 2mbr0��, (1.12)
де
або
40
Для розрахунку продуктивності шестеренних насосів, що перекачують
високотекучі рідини, шестерні, що витісняють масу, мають число зубів у межах
z = 8 - 16, малу похибку дає формула:
(1.13)
для шестеренних насосів з кутом зачеплення шестерень, а = 20°
рекомендується формула:
(1.14)
де – довжина лінії зачеплення. Розрахунок продуктивності
шестеренного насоса з коригованими зубами проводиться по наступному
рівнянню:
A 2 m2
Q = 2��b [R2 − ( ) − ( ) ��2Cos2 ��] (1.15)
2 12
де А – міжосьова відстань шестерень.
2. 2. Вибір об'єктів дослідження.
Харчові матеріали, що формуються при безперервному або періодичному
нагнітанні через наскрізні канали, хоч і відрізняються специфічністю
деформаційної поведінки в робочих зонах формуючого обладнання, але в той же
час виявляють загальні властивості. Спільність властивостей визначається
складною багатофазною структурою дисперсних харчових матеріалів, що
сприймає робочі навантаження з релаксаційним характером деформування.
Враховуючи широкий асортимент харчових матеріалів, що володіють
різноманітними реологічними властивостями, в цій роботі об'єкти формування
були обмежені матеріалами, що являють собою, в основному, тонко-дисперсні
системи, у яких пружні деформації незначно менші в порівнянні з пластичними
деформаціями [11-17].
Залежно від кількісних значень граничної напруги зсуву, що оцінює
пластичні властивості, було обрано дисперсні матеріали з малими пластичними
властивостями, які можна апроксимувати за допомогою моделі пластично-
41
текучого тіла.
Зазначений вид деформування широко використовується у процесах
переробки харчових матеріалів, а саме на формуючому обладнанні підприємств
харчових виробництв, при нагнітанні м'яких сортів цукеркових мас та начинок.
Експерименти проводили із жировими начинками для карамелі, а також із
фруктово-ягідними для пряників [3].
На противагу традиційним шестеренним нагнітачам обрана перспективна
конструкція для формуючого обладнання кондитерського виробництва у вигляді
роторно-шестеренного нагнітача начинки з відсутніми у западинах шестерень
замкненими зонами. У зв'язку з цим розробка вдосконаленої конструкції
шестеренного нагнітача, що дозволяє виключити недоліки аналогів та
прототипу, є актуальною.
2.3. Визначення пластичних властивостей начинок методом
ротаційної віскозиметрії.
Для визначення реологічних характеристик кондитерських начинок
застосовували ротаційну віскозиметрію та спеціальні експериментальні стенди
[6, 9, 10].
Методом ротаційної віскозиметрії було досліджено в'язкісні властивості
зразків начинки «Персик».
Експерименти проводили в діапазоні швидкості зсуву 0,167 - 72,9 с-1 на
ротаційному віскозиметрі "Реотест - 2". Зразки готували за рецептурою, поданою
в таблиці 2.1.
Метод ротаційної віскозиметрії дозволяє також визначити тиксотропні
властивості дисперсних матеріалів, використовуючи навантаження та
розвантаження торсійної системи віскозиметра і таким чином оцінити вплив
механічного впливу на структуру начинки.
За результатами експериментів будували графіки залежностей дотичної
напруги від швидкості зсуву в логарифмічних координатах – так звані криві течії
42
Таблиця 2.1 – Рецептура начинки «Персик» для 100 кг начинки
Найменування інгредієнтів Інгредієнти, кг
Масло рослинне 28,8
Жир кулінарний 15,2
Цукрова пудра 30,3
Ароматизатор «Персик» (5 мг)
Крохмаль кукурудзяний 25,7
2.3.1. Криві течії начинок.
На рисунку 2.2 зображені експериментальні значення дотичної напруги
(Па) в залежності від швидкості зсуву D (с-1) начинки «Персик» для карамелі,
представлені в логарифмічних координатах в діапазоні темпе-
ратур від 23 до 49,5 °C.
Аналіз експериментальних даних [3] показав, що всі логарифмічні графіки
кривих течії можуть бути розділені на дві різнонаправлені по
кривизні ділянки. При цьому напрямок кривизни графіків з області малих
значень швидкостей зсуву до області великих значень швидкостей зсуву
змінюється з напряму опуклості графіків до осі дотичних напруг на напрямок осі
швидкості зсуву. На рисунку 2.3 представлені координати точок перегину у
вигляді графіків швидкості зсуву і дотичної напруги
залежно від температури.
43
Рисунок 2.2 – Експериментальні значення кривих течії
начинки «Персик» за різних температур (цифри біля знаків на графіку вказують
значення температури зразків у °C).
Рисунок 2.3 – Координати точок перегину (D, ) кривих
течії начинки «Персик» за різних температур.
З рисунка 2.3 видно, що зі збільшенням температури чисельні значення
швидкості зсуву в точках зміни напрямку кривизни кривих течії
44
підвищуються практично лінійно за відповідного нелінійного зниження
чисельних значень дотичної напруги у цих точках. Це говорить про те, що з
підвищенням температури пружні властивості досліджених зразків начинки
"Персик" знижуються при відповідному розширенні діапазону швидкості зсуву.
Наприклад, пружні властивості при температурі 23 °C перевищують пластичні в
діапазоні швидкості зсуву від 0,167 с-1 до 0,9 с-1, а при температурі 49,5 °C – в
діапазоні від 0,167 с-1 до 5,75 с-1. Така поведінка кривих течії дозволяє
запропонувати наступні реологічні рівняння стану начинки "Персик" для
дослідженого діапазону температур [3].
В області малих швидкостей зсуву начинка проявляє помітні пружні
властивості, що перевищують пластичні, на які вказує знак мінус у граничної
напруги зсуву. Тому для перших ділянок кривих течії пропонується
трипараметричне рівняння Гершеля – Балклі [3]:
(2.1)
де – напруга зсуву, Па;
0 – гранична напруга зсуву, Па;
k – коефіцієнт консистенції, Па сn;
D – швидкість зсуву, с-1;
n – індекс течії.
Інші ділянки всіх кривих течії начинки повернено опуклістю до осі
швидкості зсуву. При цьому вони мають нахил дотичних в області великих
значень швидкості зсуву, що дорівнює 45° до горизонтальної осі абсцис. Такий
характер графіків дозволяє описати їх рівнянням Шведова – Бінгама [3]:
(2.2)
де пл – пластична в'язкість, Па*с;
45
Рисунок 2.4 – Залежність параметрів трипараметричного рівняння
Герш еля - Балклі начинки "Персик" від температури.
Графіки, представлені рисунку 2.4, були описані степеневими функціями
[3]:
– гранична напруга зсуву:
(2.3)
– коефіцієнт консистенції:
(2.4)
– індекс течії
(2.5)
Функціональні залежності параметрів реологічного рівняння начинки
свідчать про нелінійне підвищення текучості начинки зі зростанням
температури.
Рисунок 2.5 представляє вплив температури на зміну параметрів
реологічного рівняння Шведова - Бінгама зразків начинки.
46
Ри сунок 2.5 – Залежність параметрів реологічного рівняння Шведова –
Бінгам а зразків начинки.
Графіки граничної напруги зсуву та пластичної в'язкості, представлені на
рисунку 2.4 були описані відповідними степеневими функціями:
(2.6)
(2.7)
У таблиці 2.2 наведено параметри реологічних рівнянь стану начинки
«Персик».
Таблиця 2.2 Реологічні характеристики начинки «Персик»
Темпер Діапазон Параметри реологічних рівнянь стану начинки
атура, швидкості зсуву
°C D, с-1
- , k , n Діапазон
0 0 , пл ,
Па*с-1
Па швидкості зсуву Па Па*с
D, с-1
23 0,167≤ D ≤ 0,9 5 57 0,224 0,9 ≤ D ≤ 72,9 43 10,25
27,3 0,167≤ D ≤ 1,5 3,03 28,5 0,268 1,5 ≤ D ≤ 72,9 21 6,8
30,3 0,167≤ D ≤ 2,1 1,5 13,8 0,336 2,1 ≤ D ≤ 72,9 8,35 4,9
34,8 0,167≤ D ≤ 2,7 1,2 9,55 0,386 2,7 ≤ D ≤ 72,9 5,6 3,5
38,1 0,167 ≤ D ≤ 3,4 0,73 6,5 0,389 3,4≤ D ≤ 72,9 4,09 2,75
40,8 0,167≤ D ≤ 4,2 0,67 6 0,447 4,2 ≤ D ≤ 72,9 3,68 2,4
44,9 0,167≤ D ≤ 5,0 0,358 5,8 0,451 5,0≤ D ≤ 72,9 3,27 1,87
49,5 0,167 ≤ D ≤ 5,7 0,218 4,6 0,483 5,75 ≤ D ≤ 72,9 3,49 1,56
2.3.3 Вплив швидкості зсуву на в'язкі властивості начинки для
пряників.
47
Розробку пристрою для подачі деяких видів начинки в корпуси виробів,
одержуваних випресовуванням через наскрізні канали, доцільно проводити з
урахуванням реологічних властивостей напівфабрикатів, що формуються [8, 9].
З цією метою досліджувались реологічні властивості начинки для борошняних
виробів.
Фундаментальним методом ротаційної віскозиметрії на приладі «Реотест -
2» вивчали вплив температури на в'язкість начинки для пряників у діапазоні
швидкостей зсуву 0,167 < D < 72,9 с-1 [ 4].
Експериментальні дані представлені у таблиці А.1 (Додатки А). Похибка
експериментальних даних знаходиться згідно з паспортом віскозиметра в межах
± 4% [4].
За експериментальними даними були побудовані криві течії та залежності
в'язкості від швидкості зсуву начинки для пряників у логарифмічних
координатах. На рисунку 2.5 представлені криві течії та
залежності в'язкості від швидкості зсуву начинки для пряників за
різних температур. З рисунка 2.5 видно, що зі збільшенням температури в'язкість
начинки знижується, тобто графіки кривих течії та залежностей
в'язкості від швидкості зсуву D начинки змінюють своє
розташування і переміщуються вниз.
Характер кривих течії та залежностей в'язкості від швидкості зсуву,
зображених у логарифмічних координатах дозволив віднести начинку для
пряників до матеріалів, що мають пластичні властивості, та запропонувати
реологічні рівняння стану начинки [11, 12].
У першому наближенні реологічним рівнянням стану начинки може бути
рівняння Гершеля-Балклі [12]:
(2.8)
де – дотична напруга зсуву, Па;
0 – гранична напруга зсуву, Па ;
k – коефіцієнт консистенції, Па*сn;
D – швидкість зсуву, с-1;
48
n – індекс течії.
Параметри реологічного рівняння стану (2.8) начинки для пряників були
визначені графо-аналітичним методом [12] та зведені до таблиці 2.4.
Таблиця 2.3. Параметри реологічного рівняння стану (2.8) начинки для
пряників.
Параметри реологічного рівняння Гершеля-Балклі
Температура, °C
0 k n
Па Па*сn -
19 164,8 735 0,149
26,4 81,47 412 0,269
На рисунку 2.6 представлені параметри реологічного рівняння стану
начинки для пряників при досліджених температурах, які відповідають процесу
подачі начинки у тестову заготовку пряника.
Точнішим реологічним рівнянням стану начинки для пряників буде
рівняння виду [12]:
2 2 kDn
0 (2.9)
де – дотична напруга зсуву, Па;
0 – гранична напруга зсуву, Па;
k – коефіцієнт консистенції, Па*сn;
D – швидкість зсуву, с-1;
n – індекс течії.
49
Рисунок 2.6 – Залежність дотичної напруги начинки для пряників –
світлі точки і в'язкості – темні точки від швидкості зсуву D при різних
температурах °C, представлені в логарифмічних координатах.
Рисунок 2.7. Залежність параметрів реологічного рівняння стану начинки
для пр яників.
Крива течії даного рівняння має точку перегину, яка поділяє її на дві
ділянки. При цьому кожна ділянка має різнонапрямлену кривизну. Дотична,
проведена до кривої течії через точку перегину описується рівнянням:
50
n
kD (2.10)
Знак «-» перед граничною напругою зсуву 2
у рівнянні (2.9) вказує
0
розташування першої ділянки графіка кривої течії при малих швидкостях зсуву
під графіком дотичної, який описаний рівнянням (2.9). Ця ділянка звернена
опуклістю до осі дотичних напруг. На першій ділянці пружні властивості
начинки перевищують пластичні властивості.
Знак «+» перед граничною напругою зсуву 2
у рівнянні (2.9) вказує на
0
розташування другої ділянки графіка кривої течії над графіком
дотичної, який розташований за точкою перегину при великих швидкостях
зсуву. Ця ділянка звернена опуклістю до осі швидкостей зсуву. На другій ділянці
кривої течії пластичні властивості начинки перевершують її пружні властивості.
У точці перегину при зсувному перебігу начинки відбувається
вирівнювання величин пружних та пластичних властивостей начинки, тобто у
точці перегину пружні та пластичні властивості начинки зрівнюються за своїми
кількісними значеннями.
На рисунку 2.7 представлені графіки попереднього рисунка 2.5 з
позначенням точок перегину, які зображені затемненими та збільшеними.
Рівняння (2.10) має такі розв'язки:
– при температурі 19 °C:
(2.11)
– при температурі 26,4 °C:
(2.12)
Рівняння в'язкості
(2.13)
підставивши відповідні температури отримаємо:
51
Рисунок 2.8 – Криві течії та залежності
в'язкості від швидкості зсуву начинки для пряників при різних температурах із
зазначеними точками перегину на кривих течії.
(2.14)
а також (2.15)
Зі збільшенням температури в'язкі властивості начинки для пряників
знижуються, що видно з рівнянь (2.14) і (2.15). При цьому гранична напруга
зсуву 0 знижується на 45,7%; коефіцієнт консистенції k – на 51,6%, а індекс течії
n підвищується на 50,9%, що пояснює підвищення текучості начинки із
зростанням температури на 7,4°С.
2.3.4 Вплив механічного навантаження на реологічні властивості
начинок.
При експериментальному вивченні реологічних властивостей начинки за
допомогою фундаментального методу ротаційної віскозиметрії отримано криві
течії начинки при навантаженні і розвантаженні торсійної системи віскозиметра
ротаційного. При цьому криві течії зображені в логарифмічних координатах, як
видно з рисунка 2.8, мають різні напрями опуклості та характер кривизни
52
графіків при однакових діапазонах зміни швидкості зсуву начинки.
Рисунок 2.9. Криві течії жирової начинки при
навантажуванні (верхні графіки) і розвантажуванні (нижні графіки) системи
ротаційного віскозиметра.
Аналіз графіків кривих течії начинки, зображених у логарифмічних
координатах дозволив встановити той факт, що при зростанні швидкості зсуву
та подальшому її зниженні виходять криві течії з характерною розбіжністю ліній
графіків при навантаженні та розвантаженні за рахунок тиксотропного
руйнування структурного каркасу начинки.
На рисунку 2.8 представлений експериментальний графік кривих
перетікання начинки, що характеризує тиксотропні властивості начинки.
З рисунка 2.8 видно, що за відповідних температур криві течії, отримані
при «навантаженні» і «розвантаженні», не збігаються між собою. При цьому зі
збільшенням температури розбіжність зменшується. З цього можна дійти
невтішного висновку, що тиксотропні властивості жирової начинки значніше
виявляються за зниження температури начинки.
Тиксотропні властивості жирової начинки можна оцінювати
співвідношенням відповідних даних при «навантаженні» та «розвантаженні»
коефіцієнтом тиксотропності [12, 17]:
(2.16)
53
Одним із важливих реологічних параметрів процесів формування
феноменологічно однорідних суцільних середовищ, у яких харчові матеріали
піддаються всебічному стиску, що приводить об'єкти в напружений стан, є
коефіцієнт бокового тиску.
Дослідниками процесів формування тиском харчових матеріалів
приділяється велика увага коефіцієнту бічного тиску, оскільки на відміну від
закону Паскаля для рідин харчові середовища передають тиск у всіх напрямках
нерівномірно, при цьому осьовий тиск, як правило, перевищує бічний.
Коефіцієнт бічного тиску визначається відношенням бічного тиску до
тиску формування, що вимірюється в осьовому напрямку стиснення. Коефіцієнт
бічного тиску залежить від пружних властивостей суцільного середовища і є
показником якості її деформаційної поведінки.
Чисельні значення коефіцієнта бічного тиску змінюються від 0 для
твердого тіла до 1, що відповідає ньютонівській рідині.
Нами було створено експериментальну установку нового покоління для
дослідження деформаційних процесів, які протікають у харчових масах за умов
об'ємно-напруженого стану.
За допомогою даної установки можна отримувати експериментальні дані
реологічних характеристик харчових мас в об'ємно напруженому стані,
застосовуючи середовище графічного програмування.
До склада установки входить: гвинтова пара зі штурвалом для
навантаження досліджуваного зразка харчової маси шляхом обертання
штурвала. Гвинтова пара кріпиться на жорстких стійках. Установка має
термостатований циліндр, у який завантажують зразок об'єкта дослідження.
У таблицях А.2-А.4 (Додаток А) представлені експериментальні значення
щодо напруги жирової начинки при навантаженні (лівий стовпчик даних) і
розвантаженні (правий стовпчик даних) торсійної системи ротаційного
віскозиметра, за якими можна оцінити тиксотропні властивості начинки.
54
Висновки до розділу 2:
1. Об'єктами для дослідження було обрано жирову та фруктово-ягідну
начинку для кондитерських борошняних і цукристих виробів, що є
неньютонівськими рідинами.
2. Графіки кривих течії кондитерських начинок – залежності дотичної
напруги від швидкості зсуву в логарифмічних координатах мають точки
перегину кривизни, що вказує на зміну співвідношення пружних та пластичних
властивостей начинок залежно від швидкості течії у матеріалопроводі.
3. Методом ротаційної віскозиметрії встановлено, що досліджені
кондитерські начинки мають нелінійну в'язкість, що знижується зі збільшенням
швидкості зсуву. При цьому їх зсувну течію в області малих швидкостей зсуву
запропоновано описати реологічним рівнянням стану Гершеля-Балклі, а в
області великих швидкостей зсуву – рівнянням Шведова-Бінгама, а також
узагальненим реологічним рівнянням, що охоплює весь діапазон швидкостей
зсуву.
4. Для інженерних розрахунків вибрали реологічне рівняння Бінгама.
При цьому встановлено нелінійне зниження чисельних значень параметрів
даного рівняння: межі текучості та пластичної в'язкості із зростанням
температури від 23 до 49,5 °C для діапазону швидкостей зсуву від 0,167 до 72,9
с-1.
5. Течія начинки для пряників у першому наближенні була описана
реологічним рівнянням стану Гершеля-Балклі.
6. Методом ротаційної віскозиметрії встановлено, що досліджені
начинки мають тиксотропні властивості, розраховані коефіцієнти
тиксотропності, які значно знижуються при збільшенні температури від 23 до
49,5 °C.
55
РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ
ШЕСТЕРЕННОГО НАГНІТАЧА ВІЛЬНОГО ВІД ЗАПЕРТИХ
ЗОН У ВПАДИНАХ ЗУБІВ
3.1 Опис експериментальної установки та методики визначення
продуктивності.
Дослідження роботи шестеренного нагнітача вільного від замкнених зон у
западинах зубів проводили на експериментальній установці, представленій на
рисунку 3.1.
До складу експериментальної установки входить основа 1, на якій
кріпляться всі елементи установки; частотний перетворювач 2; мотор-редуктор
3; труба подачі 4, через яку матеріал, що нагнітається, подається поршнем на
нагнітальні шестерні, датчик вимірювання тиску 5, сигнал з якого подається на
комп'ютер; шестеренний нагнітач 6 та насадка 7, на яку кріпиться
матеріалопровід.
Рисунок 3.1. Експериментальна установка з шестеренним нагнітачем,
вільним від замкнених зон у западинах зубів.
У шестеренчатий нагнітач 6 входять шестерні, що прокачують масу
представлені на рисунку 3.2.
56
Рисунок 3.2. Порожнисті шестерні, що нагнітають: 1 — ведуча і 2 — ведена
з отворами 3 у западинах зубів, 4 — нерухомі вкладиші з отворами 5 для
прокачування матеріалу, що нагнітається.
Шестерні, що нагнітають, мають по 10 зубів з модулем рівним 5 мм.
Частота обертання шестерень в експерименті змінювалася за допомогою
частотного перетворювача 2.
3.1.1. Залежність продуктивності від частоти обертання шестерень
На експериментальній установці, представленій рисунку 3.1 отримували
залежності продуктивності від частоти обертання нагнітальних шестерень,
графіки яких зображені рисунку 3.3.
У таблиці 3.1 представлені експериментальні дані, які включають значення
розрахункової теоретичної продуктивності QT ТА експериментальної Qе.
Порівняння значень цих продуктивностей дозволило розрахувати коефіцієнт
об'ємної подачі шестеренного нагнітача kоб, середня величина якого склала 0,729
[7].
На рисунку 3.3 представлено порівняння теоретичної та
експериментальної продуктивності шестеренного нагнітача від частоти
обертання.
57
Таблиця 3.1 Чисельні значення теоретичної та експериментальної
продуктивність.
Коефіцієнт
Частота обертання Теоретична Експериментальна
об'ємної подачі
об/хв продуктивність QT, г/хв продуктивність Qе, г/хв
kоп
9,6 718,85 483 0,672
10 748,8 501 0,669
16 1198,1 793,8 0,663
24 1797,1 1513,2 0,824
27 2021,76 1648,8 0,816
Рисунок 3.3. Залежність продуктивності шестеренного нагнітача від
частоти обертання.
3.1.2. Витратно-напірна характеристика шестеренного нагнітача
На рисунку 3.4 представлена витратно-напірна характеристика
шестеренного нагнітача, а саме залежність продуктивності від тиску. Ця
характеристика є «жорсткою», що характеризує стійку подачу матеріалу, що
нагнітається [11, 14, 17].
58
Дана характеристика шестеренного нагнітача отримана при частоті
обертання порожнистих шестерень 8,5 об/хв [11, 14, 17].
Рисунок 3.4 Витратно-напірна характеристика шестеренного нагнітача
3.1.3. Визначення гідравлічного коефіцієнта опору по довжині
матеріалопроводу під час транспортування жирової начинки
Процес з'єднання начинки з корпусом виробу реалізується при
виробництві різноманітних сортів карамелі, пряників, готових сніданків
одержуваних екструдуванням та багатьох інших виробів, що випускаються у
різних галузях харчової промисловості.
Пристрій, в якому відбувається з'єднання начинки з корпусом виробу
прийнято називати формуючим інструментом.
При механізованих способах виробництва різноманітних виробів начинка
зазвичай подається по матеріалопроводу круглого поперечного перерізу. Для
визначення основних показників перебігу начинки по матеріалопроводу, таких
як тиск і швидкість, необхідно мати вичерпну інформацію про зміну коефіцієнта
гідравлічного опору λ в залежності від діаметра та довжини матеріалопроводу.
59
Жирові та фруктово-ягідні начинки, в загальному випадку, відносяться до
матеріалів, що мають пластичні властивості [9-11, 14, 17]. Течія таких матеріалів
у матеріалопроводі не підпорядковується закону Пуазейля [16]. Начинки мають
свою особливість течії через те, що при течії сили тертя в них складаються з
в'язких та пластичних компонентів [16, 17].
Для забезпечення початку течії начинок, що мають пластичні властивості,
необхідно подолати їх межу текучості θо [16, 17]. Крім всіх інших умов, течія
начинок у матеріалопроводі значною мірою визначається їх реологічними
властивостями, а саме величиною θо, що визначає відповідну епюру розподілу
швидкостей елементарних шарів по перерізу матеріалопроводу.
У зв'язку з тим, що багато начинок мають тиксотропні властивості, то в
залежності від величини робочого тиску в матеріалопроводі вони можуть мати
різні режими течії: ламінарний, перехідний і турбулентний.
На рисунку 3.5 представлена схема кривої течії матеріалу, що має
пластичні властивості.
Начинки, що мають пластичні властивості, може почати текти тільки при
досягненні зсувною дотичною напругою значення межі текучості, тобто за
умови, коли досягається рівновага:
�� = ��0. (3.1)
Рисунок 3.5 Схема кривої течії начинки із пластичними властивостями.
60
Дотичну напругу визначають за рівнянням:
��
�� = �� (3.2)
2��
З цього рівняння можна визначити радіус квазітвердого ядра потоку
начинки, відповідно замінивши θ на θ0 і r на r0:
����
�� 0
0 = 2 (3.3)
��
За умови, коли перепад тиску на довжині матеріалопроводу буде
відповідати величині:
����
�� = 2 0 (3.4)
��
Зі збільшенням у матеріалопроводі тиску радіус r0 квазітвердого ядра
потоку начинки може досягати дуже малих значень і потік начинки переходить
у режим на крайніх значеннях на рисунку 3.5.
При подальшому зростанні тиску Δр у матеріалопроводі режим руху
начинки перетворюється на турбулентний. Цей режим відповідає ділянці 3
рисунку 3.5.
�� = ��0 + ������−1 (3.5)
У процесі дослідження реологічних властивостей жирової начинки
методом капілярної віскозиметрії було встановлено її реологічне рівняння стану
як рівняння Гершеля-Балклі виду:
��
�� = 0 + ������−1 (3.6)
��
�� �� (��−�� )2 2�� (��−�� ) ��2
= (�� − �� ��+1 0 0 0 0
0) [ + + ] (3.7)
����3 ����3 ��+3 ��+2 ��+1
Дане рівняння перепишемо з урахуванням геометричних розмірів
матеріалопроводу та робочого тиску Δр у ньому, враховуючи те, що:
�� ��
�� = �� 0
��0 = �� (3.8)
2�� 2��
61
2
����2 ����
[( )−( 0)]
2�� 2��
�� �� ���� ���� ��+1
= [( ) −
( 0)] ��+3
3 (3.9)
����3 ����
��( ) 2�� 2�� ����0 ���� ���� 2
2( )[( )−( 0 Δ����
2�� )] ( 0)
+ 2�� 2�� 2�� 2��
[ +
��+2 ��+1 ]
1
де т = – величина обернена індексу течії реологічного стану начинки;
��
4��
������ = – середня швидкість течії начинки на розрахунковій ділянці
����2
матеріалопроводу.
Тиск під час транспортування начинки визначали експериментально.
Дане рівняння дозволяє визначити наведене значення критерію
Рейнольдса якщо підставити в нього величину Δр, яку одержують із рівняння
Дарсі-Вейсбаха для визначення коефіцієнта гідравлічного опору �� [7]:
��2
���� ��
�� = �� �� (3.10)
2�� ��
де �� – коефіцієнт гідравлічного опору по довжині трубки;
������ – середня швидкість течії начинки на розрахунковій ділянці
матеріалопроводу;
1 – довжина розрахункової ділянки матеріалопроводу, де вимірюється
перепад тиску;
d – внутрішній діаметр матеріалопроводу транспортування начинки;
р – середнє значення густини начинки на розрахунковій ділянці
матеріалопроводу;
g – прискорення сили земного тяжіння.
Залежність коефіцієнта гідравлічного опору по довжині матеріалопроводу
для начинок, що володіють пластичними властивостями є функцією наведеного
числа Рейнольдса Re*. При цьому Re*, у свою чергу, може приймати значення,
що залежать від співвідношення в'язкої і пластичної компонент сил тертя
начинки при її транспортуванні в матеріалопроводі [4,7,9,14].
У формулу в'язкості входить величина межі текучості θ0, яка збільшує
гідравлічні втрати в порівнянні з ньютонівськими рідинами за рахунок
62
пластичних властивостей начинки. Це можна побачити у вираженні наведеного
критерію Рейнольдса:
∗ ����������
Re = �� (3.11)
��[ 0+������−1]
��
Знаючи чисельні значення �� і Re*, одержувані на основі експерименту,
можна розрахувати коефіцієнт А з формули:
A
(3.12)
Re*
де А – постійний коефіцієнт, що розраховується на підставі
експериментальних даних;
Re* – приведене число Рейнольдса.
Для визначення коефіцієнта А проводили дослідження течії начинки
«Персик» за допомогою експериментальної установки, схема та загальний
вигляд якої представлені на рисунку 3.1.
У таблиці 3.2 подано параметри реологічного рівняння стану начинки.
Таблиця 3.2 значення параметрів реологічного рівняння стану начинки.
Параметри реологічного рівняння стану начинки
Довжина матеріалопроводу, L
К n
м Па Па с-n -
0,1 14 19 0,831
0,25 14 14,5 0,816
0,5 13 16 0,783
1 13 14,9 0,779
1,6 11,6 12,3 0,775
Дослідження течії начинки проводили з матеріалопроводами діаметром 5;
6,3; 8; 10 та 12 мм. При цьому довжина трубок коливалася від 100 до 1600 мм.
Методом капілярної віскозиметрії за допомогою набору матеріалопроводів
було побудовано криві течії �� = ��(��) і розраховані залежності в'язкості �� =
��(��) об'єкта дослідження від швидкості зсуву.
У таблиці Б.1 (Додатки Б) представлені значення коефіцієнта А, отримані
63
для матеріалопроводів завдовжки 1 м з різними діаметрами.
Середнє значення коефіцієнта А, одержане для матеріалопроводів
довжиною 1 м, довжина якого змінювалась від 0,1 до 1,6 м, становить 63,98. При
цьому відносна похибка, розрахована за формулою:
����−������
Δ = | |% (3.13)
��max
становила не більше 1 - 2%.
Рисунок 3.6 Схема експериментальної установки для дослідження
властивостей фруктово-ягідних та жирових начинок експериментальної
установки: 1 – гвинт, 2 – поршень, 3 – ємність з кожухом, який дозволяє
змінювати температуру, 4 – вхід теплоносія, 5 – змінний матеріалопровід, 6 –
манометр, 7 – датчик тиску КРТ5-1, 8 – вихід теплоносія
64
На рисунку 3.7 представлений графік закономірності зміни коефіцієнта
гідравлічного опору �� залежно від діаметра матеріалопроводу та тиску Δр, який
додався до матеріалопроводу під час проведення експерименту.
У таблиці Б.2 (додатки Б) подано значення коефіцієнта А, отримані для
матеріалопроводів діаметром 5 мм різної довжини.
Рисунок 3.7. Загальний вигляд експериментальної установки для
дослідження властивостей фруктово-ягідних та жирових начинок
експериментальної установки: 1 – гвинт, 2 – поршень, 3 – ємність в середині
кожуха, який може регулювати температуру, 4 – датчик тиску КРТ5-1, 5 –
змінний матеріалопровід, 6 – манометр.
65
Рисунок 3.8. Залежність коефіцієнта гідравлічного опору �� від тиску Δр у
матеріалопроводах довжиною 1 м з різними діаметрами.
Рисунок 3.9 Залежність коефіцієнта гідравлічного опору �� від тиску Δр у
матеріалопроводах різної довжини діаметром 5 мм.
На рисунку 3.10 представлений графік, зміни узагальненого критерію
Рейнольдса Re* матеріалопроводів діаметром 5 мм різної довжини та тиску Δр.
На рисунку 3.11 представлені графіки впливу тиску Δр на узагальнений
критерій Рейнольдса Re* та коефіцієнт гідравлічного опору �� для
матеріалопроводів метрової довжини та діаметрами 5 та 12 мм.
Залежності чисельних значень узагальненого критерію Рейнольдса Re* і
коефіцієнта гідравлічного опору �� для матеріалопроводів метрової довжини
66
були апроксимовані степеневою функцією:
��5 = 156407��−2,0445 Re12 = 0,0072��1,8398 (3.14-
��12 = 8932,5��−1,8398 Re5 = 0,0027��0,3697 -3.17)
За експериментальними даними розрахували падіння тиску за довжиною
матеріалопроводу ΔР/L залежно від продуктивності Q. Побудували графіки
залежності падіння тиску за довжиною матеріалопроводу від продуктивності
ΔP/L = f(Q) (рисунок 3.12).
Рисунок 3.10. Залежність узагальненого критерію Рейнольдса Re* від
тиску Δр в матеріалопроводах різної довжини діаметром 5 мм.
67
Рисунок 3.11. Залежність коефіцієнта гідравлічного опору �� та числа Re від
тиску в матеріалопроводах діаметром 5 та 12 мм та довжиною 1000 мм.
Визначили емпіричну залежність падіння тиску по довжині
матеріалопроводу для трьох значень продуктивності 2, 4 і 6 см3/с та ступінь
достовірності апроксимації R2 , яка склала 0,956, 0,994, 0,999 відповідно.
Для продуктивності Q=2 см3/с:
�� 0,911
= ; R2 = 0,956 (3.18)
�� ��0,47��
Рисунок 3.12. Падіння тиску з довжиною матеріалопроводу залежно від
продуктивності.
Для продуктивності Q=4 см3/с:
�� 1,351
= ;R2 = 0,994 (3.19)
�� ��0,4��
Для продуктивності Q=6 см3/с:
�� 2,017
= ;R2 = 0,999 (3.20)
�� ��0,51��
68
Висновки до розділу 3
1. Виготовлено експериментальну установку з шестеренним
нагнітачем, вільним від замкнених зон у западинах зубів, для дослідження
витратно-напірних характеристик та залежності продуктивності від частоти
обертання порожнистих шестерень, що нагнітають.
2. Отримано експериментальні залежності продуктивності
порожнистого шестеренного нагнітача від частоти обертання шестерень та
витратно-напірна характеристика шестеренного нагнітача з модулем зубів 5 мм
для кондитерських начинок.
3. Визначено гідравлічний коефіцієнт опору по довжині
матеріалопроводу при транспортуванні жирової начинки, течія якої для
інженерних розрахунків описується реологічним рівнянням стану Бінгама.
69
РОЗДІЛ 4. ВДОСКОНАЛЕННЯ ПРОЦЕСУ НАГНІТАННЯ
ПРУЖНО-В'ЯЗКО-ПЛАСТИЧНИХ НАЧИНОК В МАТЕРІАЛОПРОВОДІ
КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПЕРЕРІЗУ
Транспортування по матеріалопроводам широкого асортименту
матеріалів, як найпрогресивніший спосіб переміщення різноманітних за
реологічними властивостями суцільних харчових середовищ отримало широке
застосування в різних галузях харчової промисловості [1-20]. Це стало
можливим завдяки високим технологічним показникам даного процесу, які
включають безперервність, високу продуктивність та вирішують питання
автоматизації виробництва [14-18].
Подачу начинок, у тому числі і з велико-дисперсними компонентами [7, 9,
11-14] наповнювача в гомогенних дисперсних пластичних середовищах через
наскрізні канали матеріалопроводів в корпус виробів, що безперервно
формується, можна здійснювати за допомогою різних типів нагнітачів [6-14].
Нами було обрано шестеренний тип нагнітача, який має потенціал для
вдосконалення. При цьому вдосконалення процесу нагнітання пружно-в'язко-
пластичних начинок із застосуванням роторно шестеренних пристроїв слід
віднести до категорії складних процесів [9-12].
4.1 Розробка структурної схеми осьового роторно-шестеренного
нагнітача з конічними шестернями, що не мають замкненого об'єму у
западинах зубів
Шестеренні нагнітачі характеризуються геометричною подачею
матеріалу, що нагнітається, і за характером процесу нагнітання шестеренні
пристрої відносяться до конструкцій, робочі органи яких переносять обсяг
об'єкта нагнітання із зони всмоктування в зону нагнітання порційно, при цьому
порції матеріалу, що нагнітається, рівномірно розподілені в міжзубових об’ємах
нагнітальних шестерень [1-14].
Продуктивність шестеренних нагнітачів за рахунок жорсткої витратно-
70
напірної характеристики досить стійка до впливу різних факторів. Однак
наявність значного перепаду тиску в зонах нагнітання та всмоктування
призводить до витоків матеріалу через торцеві та радіальні зазори, які необхідно
враховувати коефіцієнтом об'ємної подачі [7, 9, 11-14].
Відомі шестеренні нагнітачі з частково поєднаним об'ємом у западинах
зубів мають суттєві недоліки [7, 9, 11-14]. Це сильний механічний вплив
шестерень на начинки, підвищена металоємність і енергоспоживання, а також
пульсація подачі, моменту на приводному валу, тиску і навантаження на
підшипники [7, 9, 11-14].
При роботі шестеренних нагнітачів, за рахунок стиснення мас, що
нагнітаються, володіють пластичними властивостями, в результаті їх замикання
в робочих міжзубових западинах шестерень, через зачеплення виникає
додаткове навантаження на вали нагнітальних шестерень. При цьому через
швидке збільшення надлишкового тиску в замкнутому об’ємі відбувається
збільшення крутного моменту, миттєві значення якого можуть перевищувати
величину моменту, характерного для номінального тиску в передматричній
камері. З цієї ж причини, наприклад, вали шестеренних насосів для
перекачування рідин і приводні шестерні виконують з підвищеною на 20 - 25%
міцністю, що збільшує витрату металу на конструкцію та енергоспоживання під
час роботи [11-14].
Радіальні зусилля, що виникають від затискання об'єкта нагнітання,
становлять приблизно п'яту частину величини зусиль від робочого тиску процесу
нагнітання [4-7, 9, 11-14].
При нагнітанні кондитерських мас традиційними шестеренчатими
нагнітачами з наявністю об'єму, що замикається у западинах зубів, що містять
великі тверді частинки нетрадиційних компонентів рослинної сировини,
відбувається зниження продуктивності. Крім цього знижуються якісні показники
готових виробів внаслідок надмірного механічного впливу на структуру маси
через защемлення деякої частини маси в замкнутому об'ємі міжзубового
71
простору шестерень [4-7, 9, 11-14].
Як показує огляд літературних даних, вдосконалення роботи шестеренних
нагнітачів належить до складних завдань, вирішення яких можливе на основі
положень системного аналізу, що пропонує розглядати властивості об'єкта через
властивості його складових частин. З цією метою на рисунку 4.1 представлена
структурна схема роторно-шестеренного нагнітача, що не має замкненого об'єму
у западинах зубців шестерень.
Рисунок 4.1 Структурна схема осьового роторно-шестеренного нагнітача
з конічними шестернями.
Для стійкої роботи шестеренного нагнітача необхідна наявність у його
конструкції спеціальної подачі для примусового заповнення міжзубових
робочих об’ємів нагнітальних шестерень. Найбільш простий завантажувальний
бункер для кондитерських матеріалів являє собою вертикальну конічну лійку зі
шнеком і пластиною, що зчищає матеріал.
З метою виключення зазначених недоліків традиційних шестеренних
пристроїв, а також для збільшення продуктивності та якості нагнітання нами
72
науково обґрунтовано нову конструкцію роторно-шестеренного нагнітача, у
якого відсутні замкнені об’єми у западинах шестерень (рисунок 3.1).
Нагнітальні порожнисті шестерні нового пристрою для нагнітання
начинок і транспортування їх у матеріалопроводі виконані з радіальними
наскрізними прорізами у западинах зубів, що дозволяє нагнітати негомогенні
начинки з нетрадиційними великодисперсними компонентами при зниженому
структурному руйнуванні начинок та збереженні велико-дисперсних включень.
Як видно із структурної схеми осьового роторно-шестеренного нагнітача з
конічними шестернями даний нагнітач має переваги перед традиційними
шестеренними нагнітачами. Переваги полягають в ослабленні пульсації подачі
начинки, що знижує пульсацію моменту на валу та навантажень у підшипниках
і призводить не тільки до зниження енергоспоживання, але й підвищує якість
процесу нагнітання начинки.
4.2 Розробка параметричної схеми функціонування роторно-
шестеренного нагнітачів начинки
Розробка параметричної схеми функціонування роторно шестеренного
нагнітача начинок проводиться перед фізичним та математичним моделюванням
процесу транспортування начинки у матеріалопроводі. Ця розробка включає
визначення та розподіл змінних стану, управління та координації процесу
нагнітання начинки.
Згідно з відомою методикою, фактори та параметри, що входять до
параметричних схем і характеризують протікання технологічного процесу,
поділяються на керуючі, силові, керовані, а також спостережувані, які
складаються з вимірюваних та розрахункових [11, 12].
Перед розробкою параметричної схеми технологічної операції нагнітання
пружно-в'язко-пластичних начинок шестеренним нагнітачем, що не має
замкнутих зон у западинах зубів, визначаємо технологічну операцію нагнітання
73
як процес трубопровідного транспортування із забезпеченням мінімальної
інтенсивності деформаційного впливу на начинки, що транспортуються.
Інтенсивність деформації на начинки визначається інтенсивністю
механічного впливу робочих органів шестеренного нагнітача в залежності від їх
частоти обертання та геометричних розмірів, а також матеріалу та геометрії
трубопроводу.
Деформаційний вплив при нагнітанні шестеренним нагнітачем носить
релаксаційний характер і визначається чергуванням деформацій розтягування,
стиснення, зсуву та адгезією до робочих поверхонь транспортуючого пристрою.
На рисунку 4.2 зображено параметричну схему функціонування
шестеренного нагнітача.
Керуючими параметрами процесу нагнітання дисперсних начинок є
частота обертання n нагнітальних шестерень, температура навколишнього
середовища та робочий тиск Р нагнітання, від яких залежатимуть питома
потужність нагнітання N, швидкість начинки UH, що має реологічні властивості
PВ з урахуванням геометричних розмірів ГР матеріалу.
На стійкий зв'язок між керуючими і керованими параметрами, силовий
вплив, впливають параметри зовнішнього середовища ПЗС, геометричні розміри
конструкції нагнітача матеріалопроводу ГРМ (модуль m і довжина зубів b при
частоті обертання n.).
Також, беручи до уваги, що роторно-шестеренний нагнітач під тиском
витісняє начинки як окремі об'єкти, то параметри фракційного складу начинок,
включаючи велико-дисперсні компоненти у вигляді наповнювача гомогенних
дисперсних мас, можуть бути віднесені до силових факторів.
До вимірюваних параметрів відноситься момент Мср на приводному валу,
тиск Р на стороні нагнітання і частота обертання шестерень n.
На підставі аналізу параметричної схеми функціонування роторно-
шестеренного нагнітача було висунуто припущення, що полягає в тому, що
основним інтегральним технологічним критерієм може бути енергетичний
74
показник, що характеризує споживання механічної та теплової енергії на
транспортування начинок у матеріалопроводі, який дозволяє об'єднати всі
технологічні операції та створити процес нагнітання харчових начинок
випресовуванням.
Рисунок 4.2. Параметрична схема функціонування роторно-шестеренного
нагнітача з конічними шестернями.
Таким чином, інтегральним параметром реологічних властивостей та
деформаційної поведінки начинок є крутний момент Мср на приводному валу
роторно-шестеренного нагнітача, за величиною якого з урахуванням динамічних
параметрів можна визначити питому роботу Апит або потужність Nпит нагнітання.
4.3 Моделювання нагнітання начинок у матеріалопроводі круглого
75
поперечного перерізу роторно-шестеренними пристроями.
4.3.1. Фізична модель нагнітання пружно-в'язко-пластичних начинок.
Розробка фізичної моделі (рисунок 4.3) нагнітання пружно-в'язко-
пластичних начинок через матеріалопроводи грунтувалась на використанні
класичних рішень для ізотропних матеріалів і макрооб'єктів, які можна
використовувати для опису деформацій і напруг при контактній взаємодії
об'єктів нагнітання у вигляді начинок, що мають пласт робочими поверхнями
наскрізних трубопроводів [12-14].
При нагнітанні начинка проходить під робочим тиском через трубопровід,
в якому під спільною дією дотичних і нормальних напруг утворюється стійкий
дозований по часу потік начинки.
76
Рисунок 4.3 Фізична модель нагнітання начинки у матеріалопроводі
шестеренним нагнітачем
Механізм утворення стійкого дозованого за часом потоку начинки можна
спрощено описати так. Локалізований обсяг начинки надходить з робочої зони
роторно-шестеренного нагнітача в наскрізний трубопровід, далі, при контакті з
вхідною кромкою каналу, піддається зростаючому тиску, що забезпечує в цій
області перевищення тиксотропних напруг, що викликає руйнуючі структуру
начинки зсувні напруги. При цьому епюра швидкостей зсувної течії
трансформується в параболічний профіль квазістаціонарної течії, в тому числі і
з квазі-твердим ядром потоку в кінці вхідної ділянки трубопроводу.
Таким чином, утворення стаціонарного потоку начинки відбувається при
спільній дії дотичних напруг та нормального тиску.
Нагнітання пружно-в'язко-пластичної начинки супроводжується
характерним релаксаційним переходом її пружної деформації в пластичну
деформацію стаціонарного потоку [12-14].
В результаті порушення стаціонарної взаємодії потоку пружно-в'язко-
пластичної начинки з мікрорельєфом поверхні трубопроводу на контактній
поверхні при дії бічного тиску і зсуву ймовірно утворення тонкого шару рідкого
дисперсійного середовища, що змочує стінку трубопроводу, і виникнення
ефекту пристінного ковзання [12-14].
При надмірному тиску нагнітання можливе порушення дозованої витрати
начинки в матеріалопроводі за рахунок виділення біля поверхні твердої стінки
матеріалопроводу рідкого дисперсного середовища через підвищені внутрішні
напруги, що призведе до прослизання начинки в матеріалопроводі.
Перевищення норми дотичних напруг може призвести до перехідного
режиму течії начинки в матеріалопроводі від ламінарного до турбулентного.
У фізичній моделі зазначені механізми порушення стійкої дозованої
витрати начинки мають різні масштаби, при цьому питома вага кожного може
77
змінюватись в залежності від вихідних факторів нагнітання.
Забезпечення дозованої, тобто постійної в часі витрати начинки при
спільній дії нормальних і дотичних напруг, що релаксують, на практиці можливе
за рахунок відповідної підготовки начинки до нагнітання із застосуванням
технологічних факторів, зміною геометрії формуючого каналу або заміною
матеріалу трубопроводу, а також режимів нагнітання.
Таким чином, нагнітання може застосовуватися для різноманітних
начинок, що мають широкий спектр реологічних властивостей, що вказує на
широке використання даного способу нагнітання в різних галузях харчової
промисловості. При цьому досягнення режиму стійкої подачі начинки або
стабільної продуктивності матеріалопроводу носить релаксаційний характер і
відбувається в результаті комбінованого впливу нормальних і дотичних напруг.
4.3.2. Математична модель транспортування пружно-в'язко-
пластичних начинок у наскрізному матеріалопроводі круглого перерізу.
Розглянемо транспортування пружно-в'язко-пластичних начинок у
наскрізному матеріалопроводі круглого перерізу при квазістаціонарному
режимі.
Методом фізичного моделювання за допомогою ротаційної віскозиметрії
були визначені реологічні властивості зразків жирової та фруктово-ягідної
начинок, такі як межа текучості або гранична напруга зсуву, пластична в'язкість,
коефіцієнт консистенції та індекс течії у відповідних реологічних рівняннях
стану Бінгама.
В області малих швидкостей зсуву начинка проявляє помітні пружні
властивості, що перевищують пластичні, на які вказує знак мінус у граничної
напруги зсуву. Тому для перших ділянок кривих течії пропонується
трипараметричне рівняння Гершеля – Балклі [11, 14]:
�� = −��0 + ������ (4.1)
де θ – напруга зсуву, Па;
78
-θ0 – гранична напруга зсуву, Па;
k – коефіцієнт консистенції, Па сn;
D – швидкість зсуву, с-1;
п – індекс течії.
Інші ділянки усіх кривих течії начинки звернені опуклістю до осі
швидкості зсуву. При цьому вони мають нахил дотичних в області великих
значень швидкості зсуву ріний 45° горизонтальної осі абсцис. Такий характер
графіків дозволяє описати їх рівнянням Шведова – Бінгама [58,97]:
�� = ���� + ��пл�� (4.2)
де 0 – напруга зсуву, Па;
θ0 – гранична напруга зсуву, Па;
η – пластична в'язкість, Па с;
D – швидкість зсуву, с-1.
Таким чином, для опису зсувної течії начинки по ділянкам можна
використовувати систему реологічних рівнянь:
�� = −��0 + ������ 0,167 < D < 0,9
{ { (4.3)
�� = ���� + �������� 0,9 < D < 72,9
Криві течії начинки в області високих швидкостей зсуву, що відбуваються
при трубопровідному транспортуванні, звернені опуклістю до осі швидкості
зсуву. При цьому вони мають нахил дотичних в області великих значень
швидкості зсуву, що дорівнює 45° до горизонтальної осі абсцис. Такий характер
графіків дозволяє описати їх рівнянням Шведова-Бінгама [11, 14]:
�� = ���� + �������� (4.4)
Точнішим реологічним рівнянням стану начинки для пряників, що описує
весь діапазон швидкостей зсуву буде рівняння виду [14]:
��2 = ∓��2 ��
0 + ������ (4.5)
У зв'язку з тим, що досліджені жирова та фруктово-ягідна начинки не
підпорядковуються законам гідромеханіки в'язкої рідини, то процеси їх
протікання по матеріалопроводу слід вважати реологічними процесами.
79
Метод математичного моделювання реологічних процесів полягає у їх
дослідженні за допомогою математичних моделей [18-20].
Математичною моделлю реологічного процесу є сукупність математичних
рівнянь, що описують протягом деформаційний і напружений стан суцільного
середовища при зрушенні, що має конкретні реологічні властивості [18-20].
Математична модель реологічного процесу складається з рівняння руху
суцільного середовища, реологічного рівняння стану та конкретних граничних
умов, за яких протікає даний процес.
Завдання математичного моделювання реологічних процесів вважається
виконаним, якщо отримано системи рівнянь математичної моделі, що
задовольняє граничним умовам.
Визначимо продуктивність матеріалопроводу з круглим профілем
поперечного перерізу при протіканні в ньому начинки, що має пластичні
властивості, з урахуванням пристінного ковзання. З цією метою запишемо
рівняння Навье-Стокса у напругах на вісь z каналу [20]:
1 ∂ ∂p
(r��rz) = (4.6)
r ∂r ∂z
Після інтегрування отримаємо:
r ∂p C
�� 1
rz = + ; C1 = 0 (4.7)
2 ∂z r
Реологічне рівняння стану запишемо так:
1
��2 ���� ��
�� = ∓ 0 + [�� (− )] (4.8)
�� ����
1
де �� = – величина обернена індексу течії.
��
Таким чином отримаємо диференційне рівняння течії пластичного
середовища в наскрізному каналі з круглим профілем поперечного перерізу:
Δp m 1
dU = −( ) ⋅ (r − r )m
0 dr (4.9)
2�� K
При граничних умовах
80
2�� ��
�� = [(�� − ��0)
��+1 − (�� − �� )��+1
0 ] + ���� (4.10)
��(��+1)�� 2��
де ß – коефіцієнт ковзання, що враховує П – ефект.
Вираз витрати визначимо як суму центрального квазітвердого ядра та
периферійної кільцевої області:
Q = Qr<r + Qr <r<R (4.11)
0 0
Витрата центральної частини потоку:
��+1
��2
(��− 0
����3 ) 2
�� ��
����<�� = ����2
0 �� 4
0 0; ����<�� = ��0 [ + �� ] (4.12)
0 ��5 ��(��+1) ��
Витрата в периферійній частині потоку:
��+1
(∓�� )2
2�� (�� − 0
�� )
��
����<<<�� = 2�� ∫ ��������
��(�� + 1)�� ��0
2�� Δ�� (∓�� )2 ��+1
�� 0 ��
− 2�� ∫ ( �� − ) ������ + 2������∫ ������
��(�� + 1)�� �� 2�� �� ��0
(4.13)
В результаті загальне рівняння витрати матиме такий вигляд:
��+1 ��+1
(∓�� )2 (∓�� )2
�� (�� − 0
�� ) (�� − 0
2�� �� )
�� 2 2
��Δ<��<�� = �� − ���� −
Δ�� Δ
�� ( ) (�� + 1) �� ��
�� ( ) (�� + 1)
2�� 2��
2 ��+2
(∓�� )
(�� − 0
�� )
−2�� 2 �� +
��
�� ( ) (�� + 1)(�� + 2)
2��
2 ��+3 2 2
(∓��
(��− 0) 3 (∓�� )
) �� −��( 0 )
�� ��
+ 3 + 2 (4.14)
�� ��
��( ) (��+1)(��+2)(��+3) ( )
2�� 2��
Витрата по всьому круглому перерізу каналу з врахуванням пристінного
проковзування матиме вигляд:
81
2
(
��+1 ∓�� )2 (∓�� )2
����3 (∓�� )2 2(��− 0 ) 2��(��− 0 ) 2
0 �� �� �� ��
�� = (�� − ) × [ − + ] + �� (4.15)
����3 �� (��+1)(��+2)(��+3) (��+1)(��+2) (��+1) ��
За рівнянням (4.14) можна визначити продуктивність матеріалопроводу з
урахуванням ефекту пристінного ковзання середовища, що має пластичні
властивості.
Пристінне ковзання або П-ефект є характерним для пластичних
дисперсних середовищ [20]. Якщо напруга на стінці каналу не перевищує
значення граничної напруги зсуву суцільного середовища, то зберігається
внутрішня структура середовища і вона ковзає по стінках наскрізного каналу
подібно до твердої пробки. Підвищення навантаження призводить до переходу
через межу пластичної міцності середовища поблизу стінки каналу і в пристінній
області виникає в'язка течія, а область цілісної структури середовища
зберігається поблизу осі потоку, починаючи з того значення радіусу, на якому
напруга зсуву досягає значення граничної напруги дисперсного зсуву
середовища. Механізм пристінного ковзання характерний для складних
полімерів, консистентних мастил та широкого спектру харчових дисперсних
матеріалів, що мають пластичні властивості.
Висновки до розділу 4:
1. Розроблено структурну схему осьового роторно-шестеренного
нагнітача з конічними шестернями вільних від замкненого об'єму у западинах
зубців нагнітальних шестерень.
2. На підставі аналізу структурної схеми функціонування шестеренних
нагнітачів розроблено параметричну схему роторно шестеренного нагнітача для
широкого асортименту начинок, що володіють пластичними властивостями.
3. На підставі проведених теоретичних та експериментальних
досліджень зсувної течії кондитерських начинок, що мають пластичні
властивості, визначено теоретичну продуктивність матеріалопроводу з круглим
82
профілем поперечного перерізу при протіканні в ньому пружно-в'язко-
пластичних начинок, з урахуванням пристінного ковзання.
4. Запропоновано математичну модель протікання пружно-в'язко-
пластичних начинок у матеріалопроводі круглого поперечного перерізу,
реологічне рівняння стану яких враховує співвідношення пружних та
пластичних властивостей начинок залежно від швидкості течії у
матеріалопроводі.
5. Проведено уточнення розрахункової формули визначення втрат
тиску на одиницю довжини матеріалопроводу транспортування начинки.
6. З урахуванням параметрів реологічних рівнянь стану пружно-в'язко-
пластичних начинок запропоновано методику інженерного розрахунку
матеріалопроводу.
83
РОЗДІЛ 5. ОПИС КОНСТРУКЦІЇ РОТОРНО-ШЕСТЕРЕННОГО
НАГНІТАЧА ІЗ ВІЛЬНИМИ ВІД ЗАПЕРТИХ ОБ’ЄМІВ У
ВПАДИНАХ ЗУБІВ
5.1 Пристрій для наповнення начинкою джгута
Пристрій відноситься до харчової промисловості, а саме до пристроїв для
наповнення начинкою джгутів з м'яких сортів цукеркових мас, пралінових мас,
карамельного джгута, що формується з карамельного батона, а також до
пристроїв для наповнення начинкою корпусу борошняних виробів.
Недоліками відомих пристроїв є те, що вони громіздкі і мають застійні
зони в передматричній камері через широкий фронт подачі маси у формуючі
канали, осі яких розташовані в горизонтальній площині для видавлювання
формуючих джгутів на горизонтальну стрічку транспортера.
Для подачі начинки в карамельний джгут, що формується обкаткою з
карамельного батона, або канал подачі начинки формуючого інструменту
екструдера доцільно зменшити фронт подачі начинки за рахунок зменшення
торцевої поверхні шестерень, зверненої до насадки і таким чином виключити
застійні зони.
З метою зменшення габаритів пристрою за рахунок зменшення фронту
подачі начинки в насадку, підвищення продуктивності та виключення застійних
зон з боку торцевих поверхонь нагнітальних шестерень шляхом зменшення
торцевої поверхні нагнітальних шестерень, а також спрощення конструкції
начинконаповнювача в результаті виключення з конструкції пристрою
кулькового клапана шестерні.
Поставлене завдання досягається тим, що у пристрої, що містить
спеціалізований бункер, шестеренний нагнітач, шестерні якого виконані
порожнистими з наскрізними прорізами у западинах зубів і забезпечені
циліндричними вставками з поздовжніми пазами, спрямованими у бік
84
змонтованого в його торцевій частині з утворенням камери насадки з отворами,
на відміну від прототипу, що має передматричну камеру з формуючими
отворами, розташованими в горизонтальній площині, порожнисті шестерні
виконані конічними, а насадка в торцевій частині виконана з отворами,
розташованими по всій площі поперечного перерізу насадки осі насадки.
На рисунку 5.1 схематично зображено загальний вигляд, на рисунку 5.2 –
розріз пропонованого пристрою А-А.
Пристрій містить бункер 1, у вигляді воронки, закріпленої на корпусі 2, в
якому розташований шестеренний нагнітач 3.
Шестеренний нагнітач 3 виконаний з порожнистими конічними
шестернями, що мають наскрізні радіальні прорізи 4 у западинах зубів 5.
Рисунок 5.1 Загальний вигляд пристрою для наповнення начинкою джгута.
Усередині порожнистих шестерень нагнітача встановлені циліндричні
вставки 7, кожна з яких має поздовжній паз, що утворює канал з похилим дном
і вихідним перерізом круглої форми.
У торцевій частині корпусу змонтована з утворенням камери насадка 11.
85
Насадка має 11 отвори 12, які призначені для додаткової гомогенізації начинки,
що має значні тиксотропні властивості.
Підвищення продуктивності пристрою досягається тим, що нагнітач з
порожнистими конічними шестернями має роторний тип конструкції, вільної від
наявності холостого ходу.
Рисунок 5.2 Розріз пристрою для наповнення начинкою джгута по А-А
рисунка 5.1.
Застосований у пристрої нагнітач з порожнистими конічними шестернями
в порівнянні з циліндричними порожнистими шестернями має мінімальну
торцьову поверхню нагнітаючих шестерень, звернену до насадки подачі
начинки, що виключає застійні зони з боку малих торцьових поверхонь
нагнітальних шестерень.
Також нагнітач з порожнистими конічними шестернями має стійку подачу
86
завдяки жорсткій витратно-напірній характеристиці і мінімальний руйнуючий
структуру начинки механічний вплив через відсутність замкнутих об'ємів в
западинах зубів нагнітаючих шестерень, що має місце в звичайних шестеренних
зубчатих нагнітачах.
Механічний вплив на начинку при проходженні отворів 12 забезпечує
рівномірність її структури по всьому об’єму начинки і сприяє підвищенню якості
наповнення внутрішньої порожнини джгута, що складається з корпусу і начинки.
Крім цього, завдяки наявності камери 10, насадки 11 з отворами 12
забезпечується стійка подача гомогенізованої начинки без пульсації в гнучкий
шланг з металевою трубкою (на рисунках 5.1, 5.2 не показані).
Гнучкий шланг з металевим наконечником для подачі начинки в
карамельний батон або гнучкий шланг для подачі начинки формує інструмент
екструдера або інший пристрій, який кріплять по зовнішньому діаметру насадки.
У запропонованому пристрої з нагнітаючими порожнистими конічними
шестернями, що мають циліндричні вставки з поздовжніми пазами, відпадає
необхідність у встановленні кулькового клапана після насадки перед шлангом з
металевою трубкою, що спрощує конструкцію нагнітача.
Запропонований пристрій працює наступним чином.
Начинка з бункера 1, закріпленого на корпусі 2 подається до шестеренного
нагнітача 3, і заповнюючи западини зубів 5 конічних шестерень, переміщається
в зону зачеплення, де витісняється зубами 5 з западин через радіальні наскрізні
прорізи 4 і нерухомі циліндричні вставки 8.
Нагнітається конічними шестернями нагнітача 3 начинка витісняється
через прорізи 4 у западинах зубів 5 конічних шестерень і потрапляє під тиском в
порожнину паза 8. Переміщаючись по пазу 8 вздовж похилого дна 9 начинка
надходить в камеру 10 насадки 11, і далі після проходження отворів 12 насадки
11 начинка гомогенізується в отворах 12 набуваючи однорідної структури, потім
подається в гнучкий шланг з металевим наконечником (на рисунках 5.1, 5.2 не
87
показані) або інший пристрій.
Таким чином, використання винаходу, в конструкції якого як робочі
органи начинконаповнювача використані нагнітаючі порожнисті конічні
шестерні з наскрізними прорізами у западинах зубів, дозволить:
- підвищити продуктивність пристрою.
- зменшити габарити пристрою, спростити конструкцію та виключити
застійні зони з боку торцевих поверхонь.
-
5.2 Варіанти застосування шестеренних конструкцій
начинконаповнювачів у виробництві різноманітної кондитерської
продукції.
Пристрій для наповнення начинкою джгута з вільними від замкнених
обсягів у западинах зубів може бути використаний в потокових лініях
кондитерського виробництва, наприклад, в лінії формування складових джгутів
з м'яких пралінових мас з начинкою.
На рисунку 5.3 представлена схема формування утвореного пралінового
джгута з начинкою. На схемі представлений валково-шестеренний прес (на
рисунку 5.3 праворуч) і запропонований пристрій для наповнення начинкою
джгута (на рисунку 5.3 зліва).
Пралінова маса із завантажувальної лійки роторно-шестеренного преса 5
парами валків 6 подається на нагнітаючі шестерні 7, які знаходяться в
зачепленні. Шестерні 7 захоплюють пралінову масу і продавлюють її через
кільцевий канал формуючого інструменту, утворюючи порожнистий джгут.
Одночасно з цим пралінова начинка, що відрізняється від основного корпусу
джгута кольором і рецептурою, у тому числі і велико-дисперсними
компонентами, подається роторно-шестеренним пристроєм 2 з бункера 1
начинконаповнювача через штуцер 3 в матеріалопровід 4, який приєднаний до
формуючого інструменту валково-шестеренний преса.
88
Крім наповнення начинкою джгутів їх м'яких пралінових мас розроблений
роторно-шестеренний пристрій може застосовуватися для наповнення
карамельних джгутів фруктово-ягідними та жировими начинками.
У відому схему виробництва карамелі з начинкою включили
начинконаповнювач з розробленим роторно-шестеренним пристроєм, в якому
шестерні виконані вільними від замкнених об'ємів у западинах зубів.
Модернізована схема представлена рисунку 5.4.
Рисунок 5.3. Схема наповнення карамельного джгута начинкою: 1 – бункер
начинконаповнювача, 2 – пристрій для наповнення начинкою джгута, що
формується, 3 – штуцер, 4, 9 – матеріалопровід подачі начинки у формуючий
інструмент, 5 – валково-шестеренний карамельний прес, 6 – пара валків, 7 –
шестерні, що зачеплюються, 8 – формуючий інструмент
На етапі заповнення начинки в карамельний джгут пропонується
встановити начинконаповнювач 15 з розробленим нами роторно-шестеренним
пристроєм, у якого в якості робочого органу використовуються шестерні, що
зачеплюються, вільні від замкненого об'єму в западинах зубів.
89
Розроблений роторно-шестеренний пристрій використовується для
нагнітання начинок різного складу.
Рисунок 5.4. Технологічна схема виробництва карамелі з удосконаленим
вузлом подачі начинки: 1 – змішувач, що нагрівається, 2, 7 – збірник, 3, 8 – насос,
4 – змійовик, 5 – редуктор, 6 – фільтр, 9 – плівковий апарат, 10 – барабан, 11 –
нахилена плита, 12 – дозатори, 13 – розтягувальна машина, 14 – стрічковий
транспортер, 15 – начинконаповнювач з розробленими роторно шестеренним
пристроєм, 16 – карамельна маса, 17 – ролики, 18 – ножі, 19 – карамельки, 20, 22
– транспортери, 21 – охолоджувальна шафа
Для формування карамелі з начинкою до обкатуючої машини подаються
транспортером стрічка карамельної маси і начинка начинконаповнювачем 15.
Він нагнітає її по трубі всередину карамельної маси 16, що обертається і має
90
форму конуса. З вершини конуса кількома парами роликів 17 витягується
круглий джгут з начинкою всередині. Джгут ріжеться ножами 18 на окремі
карамельки 19.
Використання роторно-шестеренного пристрою з шестернями, що
зачеплюються, вільними від замкненого об'єму у западинах зубів, дозволяє
зменшити механічний вплив на перекачувану начинку, виключити застійні зони
з боку торцевих поверхонь нагнітальних шестерень, що дозволяє знизити втрати
перекачуваних начинок, зменшити габарити приладів і спростити їх
конструкцію.
5.3 Економічний ефект від впровадження нового пристрою
Метою роботи була розробка нової конструкції пристрою роторного типу
для наповнення начинкою джгута з кондитерської маси, що формується в
наскрізному каналі або в батоні з карамельної маси.
Нова конструкція роторно-шестеренного начинконаповнювача з
шестернями, що зачеплюються, вільними від замкненого об'єму в западинах
зубів, дозволила вдосконалити процес нагнітання начинок для кондитерських
виробів.
Для підтвердження працездатності розробленого пристрою для
наповнення джгута з начинкою, що формується, було створено робочий
прототип на базі харчового підприємства.
Проведені випробування прототипу дозволяють зробити такі висновки:
1. Використання шестерень із вільними від замкнених об'ємів у
западинах зубів дозволяє зменшити габарити пристрою та спростити
конструкцію
2. За рахунок того, що порожнисті конічні шестерні мають прорізи у
западинах зубів, виключені застійні зони з боку торцевих поверхонь, що
підвищує експлуатаційну надійність пристрою.
91
Висновки до розділу 5
1. Розроблено конструкцію роторно-шестеренного пристрою для
нагнітання начинок у кондитерські напівфабрикати у процесах формування
карамелі, м'яких сортів цукерок та борошняних виробів.
2. Конструктивною особливістю нагнітача є те, що він має порожнисті
конічні робочі шестерні, вільні від замкнених об'ємів у западинах зубів.
3. Пропонована конструкція дозволяє підвищити продуктивність
нагнітання, зменшити габарити пристрою, спростити конструкцію та виключити
застійні зони з боку торцевих поверхонь та розширити застосування
шестеренних конструкцій начинконаповнювачів у виробництві різноманітної
кондитерської продукції.
4. На новий пристрій для подачі начинки в джгут, що формується,
розроблені робочі креслення для виготовлення його в металі. Пристрій для
нагнітання начинки розрахований на продуктивність до 1000 кілограмів на
годину.
92
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. На підставі аналізу робочих процесів у роторно-шестеренному
нагнітачі з урахуванням реологічних характеристик розроблена
експериментальна установка роторного типу з шестеренним нагнітачем вільним
від замкнених об'ємів у западинах зубів.
2. Досліджено реологічні властивості начинок для пралінових мас,
пряників, а також жирової начинки для екструдованих виробів.
3. Отримано витратно-напірні характеристики роторно-шестеренного
нагнітача вільного від замкнених об'ємів у западинах зубів нагнітальних
шестерень для пластично-текучих начинок.
4. Досліджено вплив геометричних та кінематичних параметрів
роторно-шестеренного пристрою для нагнітання начинок на його
продуктивність.
5. Розроблено структурну та параметричну схеми процесу нагнітання
начинок, що мають пластичні властивості.
6. Розроблено фізичну, механічну та математичну моделі нагнітання
пластичних мас шестеренним нагнітачем.
7. Розроблено пропозиції технічного рішення щодо промислової
реалізації та надано науково обґрунтовані методи розрахунку основних
елементів конструкцій нових роторно-шестеренних нагнітачів без замкнених
об'ємів у западинах зубів нагнітальних шестерень для харчових мас із
пластичними властивостями.
93
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Ковальчук, І. Г. (2008). Фізичні та хімічні властивості тіста та особливості його
реології. Вісник Харківського національного університету харчування та
торгівлі, (17), 139-142.
2. Лисенко, А. В., Шаповал, П. П. (2015). Моделювання процесу формування
структури кондитерських виробів на основі реологічних властивостей тіста.
Вісник Дніпропетровського університету. Серія: Технічні науки, (4), 91-97.
3. Пасічник, Н. М., Шостак, М. В., Зіміна, О. О. (2018). Вплив реологічних
властивостей начинок на технологічні показники кондитерських виробів.
Науковий вісник НУБіП України. Серія: Техніка та технології виробництва
продукції харчування, 281(2), 89-97.
4. Ткаченко, Н. С., Ткаченко, І. В. (2014). Дослідження реологічних властивостей
начинок для кондитерських виробів. Харчова наука і технологія, 8(2), 26-29.
5. Іванова, О. І., Леснік, А. В. (2016). Вивчення реологічних властивостей тіста
для кондитерських виробів. Вісник Харківського національного університету
харчування та торгівлі, (20), 53-56.
6. Колісник, Л. В., Мельник, М. О. (2012). Оптимізація технологічних параметрів
формування начинки для кондитерських виробів. Вісник Київського
національного університету технологій та дизайну. Серія: Харчові технології,
2(70), 176-183.
7. Computational rheolgy / MF Webster, HR Tamaddon-Jahromi, і F. Belblidia //
RHEOLOGY - Vol. I [Electronic resource]. - Mode of access:
http://www.eolss.net/sample-chapters/c06/e6-197-08-00.pdf
8. Engineering Aspects of Extrusion / Dick J. van Zuilichem, Leon PBM Janssen,
Leszek Moscicki [Electronic resource], - Mode of access:
http://itm.eldoc.ub.rug.nl/FILES/root/201 l/ExtCookTecvZuilichem /2011
ExtrCookTechvZuilichem.pdf
9. Extrusion-Cooking Techniques / Edited by Leszek Moscicki [Electronic resource].
- Mode of access: http://www.lamolina.edu.pe/zootecnia/
94
biblioteca2012/Extrusion%20Cooking%20Techniques%5B 1 %5D.pdf
10. Optimization of Co-Injection Process for Confectionery Systems aided by Flow
Simulation and Experiment A dissertation submitted to ETH Zurich for the degree
of Doctor of Sciences (Dr. sc. ETH Zürich) [Electronic resource] / Stefan Padar . -
Mode of access: http://e-collection.library.ethz.ch/eserv/eth:476/eth-476-02.pdf
11. Garti, N., & Sahin, S. (2004). Rheological properties of bakery and pasta products.
In Handbook of Food Products Manufacturing (pp. 651-674). John Wiley & Sons.
12. Hall, C. E. (2010). Rheology for the food industry. Woodhead Publishing.
13. Heldman, D. R., & Lund, D. B. (2010). Handbook of Food Engineering (2nd ed.).
CRC Press.
14. Kokini, J. L., Ho, C. T., & Karwe, M. V. (2011). Food materials science: principles
and practice. John Wiley & Sons.
15. Lescourret, F. (2002). Rheology and texture of food. In Texture in Food (pp. 3-29).
CRC Press.
16. McClements, D. J. (2015). Food emulsions: principles, practices, and techniques.
CRC Press.
17. Khachatryan, G., & Tonoyan, L. (2019). Rheological properties of dough and their
impact on bread quality. Ukrainian Food Journal, 8(2), 230-243.
18. Бухкало С. І. Дослідження впливу деяких технологічних параметрів на
реологічні характеристики різновидів шоколадних глазурей / С. Бухкало, М.
Л. Земелько // Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Сер. :
Інноваційні дослідження у наукових роботах студентів = Bulletin of the
National Technical University "KhPI". Ser. : Innovation researches in
students’scientific work : зб. наук. пр. – Харків : НТУ "ХПІ", 2021. – № 1. – С.
62-70.
19. Рудавська, Г. Б. Реологічні властивості нових пастильних виробів / Г. Б.
Рудавська, Н. П. Шаповалова, О. В. Романенко // Продовольча індустрія АПК.
– 2011. – № 5. – С. 34-37.
20. Матяс, Д. С. Реологічні показники мармеладних мас на аграрі і каррагінані з
різновидами цукрів / Д. С. Матяс, Ю. В. Камбулова // Технології харчових
95
продуктів і комбікормів : зб. тез доп. Міжнар. наук.-практ. конф., Одеса, 25–
30 верес. 2017 р. / Одес. нац. акад. харч. технологій ; під ред. Б. В. Єгорова. –
Одеса, 2017. – С. 28–30 : табл. – Бібліогр.: 3 назв.
96
ДОДАТКИ
Додаток А
Таблиця А.1 Експериментальні дані начинки для пряників.
Швидкість Дотичне Дотичне В'язкість В'язкість
зсуву, навантаження ��, навантаження η, Па η, Па
D с-1 Па ��, Па 19 °C 26,4 °C
19 °C 26,4 °C
0,167 520,8 225 3118,6 1347,3
0,3 577 267,4 1923,3 891,3
0,5 647 310 1204 620
0,9 704 380 782,2 422,2
1,5 760 422 506,7 281,3
2,7 816 507 302,2 187,8
4,5 901 591 200,2 131,3
8,1 985 704 121,6 86,91
13,5 1084 816,4 80,3 60,47
24,3 1239 980 50,99 40,33
40,5 1379 1182 34,05 29,9
72,9 1605 1435 22,02 19,68
Таблиця А.2 Значення напруги жирової начинки при навантаженні і
розвантаженні торсійної системи ротаційного віскозиметра при температурі
харчового середовища від 23 до 30,3 °C
10D, θ, Па θ, Па 10D, θ, Па θ, Па 10D, θ, Па θ, Па
с-1 23 °C 23 °C с-1 27,3°C 27,3°C с-1 30,3°C 30,3°C
1,7 34,82 33,17 1,7 13,5 14,61 1,7 7,9 7,19
3 43,4 38,53 3 17,67 17,61 3 8,99 9,08
5 49,6 43,8 5 21,7 20,64 5 10,85 11,06
9 52,39 50,67 9 27,9 24,68 9 13,95 13,8
15 62 62 15 31,31 31,31 15 15,5 15,5
27 75,02 75,02 27 39,37 39,37 27 19,53 19,53
45 94,55 94,55 45 49,29 49,29 45 26,35 26,35
81 127,1 127,1 81 70,68 70,68 81 40,61 40,61
135 173,6 173,6 135 99,51 99,51 135 58,9 58,9
243 284,315 284,31 243 161,2 161,2 243 100,75 100,75
405 419,435 4195, 43 405 254,2 254,2 405 161,2 161,2
729 731,9 7351 ,9 729 506,7 506,7 729 294,5 294,5
97
Таблиця А.3 Значення щодо напруги жирової начинки при навантаженні
та розвантаженні торсійної системи ротаційного віскозиметра при температурі
харчового середовища від 34,8 до 40,8 °C
θ, Па θ, Па θ, Па θ, Па θ, Па
10D, θ, Па 34,8 10D, 38,1 38,1 10D, 40,8 40,8
с-1 34,8 °C °C с-1 °C °C с-1 °C °C
1,7 3,1 3,11 1,7 2,15 2,14 1,7 2,32 2,07
3 3,565 4,16 3 3,25 2,96 3 3,1 2,88
5 3,72 5,29 5 3,72 3,85 5 4,03 3,76
9 7,13 6,9 9 6,2 5,13 9 5,58 5,06
15 8,68 8,63 15 6,51 6,54 15 7,13 6,49
27 13,02 13,02 27 11,16 8,46 27 8,37 8,37
45 17,98 17,98 45 13,95 13,95 45 12,4 12,4
81 27,9 27,9 81 23,25 23,25 81 21,08 21,08
135 44,02 44,02 135 35,65 35,65 135 32,55 32,55
243 74,4 74,4 243 62 62 243 56,11 56,11
405 120,59 120,59 405 102,3 102,3 405 92,69 92,69
729 221,65 221,65 729 193,13 193,13 729 172,98 172,98
Таблиця А.4 Значення напруги жирової начинки при навантаженні і
розвантаженні торсійної системи ротаційного віскозиметра при температурі
харчового середовища 44,9 і 49,5 °C
10D, θ, Па θ, Па 10D, θ, Па θ, Па
с-1 44,9 °C 44,9 °C с-1 49,5 °C 49,5 °C
1,7 3,1 2,23 1,7 1,085 1,72
3 3,1 3,01 3 2,17 2,35
5 2,79 3,88 5 3,1 3,07
9 6,2 5,17 9 4,65 4,15
15 6,51 6,6 15 6,2 5,38
27 6,51 8,63 27 7,75 7,75
45 12,71 12,71 45 9,3 9,3
81 16,43 16,43 81 13,95 13,95
135 27,59 27,59 135 22,63 22,63
243 46,19 46,19 243 39,68 39,68
405 74,4 74,4 405 62 62
729 134,85 134,85 729 113,46 113,46
98
Таблиця Б.1 Значення коефіцієнта А, отримані для матеріалопроводів
завдовжки 1 м різного діаметра.
Приведене Середнє
Коефіцієнт
число значення
Діаметр Тиск р, гідравлічного Коефіцієнт,
Рейнольдса, коефіцієнта,
d, мм кПа опору, λ Α
Re* Α
98 160899,446 0,003909961 64,00033
5 196 36956,24587 0,001731786 64,00032 64,0003
429 15358,78862 0,004167012 64,00028
392 9877,579732 0,006479348 64,00028
98 136840,2586 0,0045881 63,99994
6,3 196 39839,10494 0,0157594 64,051838 64,012887
429 16049,79748 0,0384269 63,999887
392 8464,604397 0,0741723 63,999884
98 69190,87419 0,0090968 63,969316
8 196 2084,718328 0,3010185 63,969294 63,96934
429 4852,712741 0,1293172 63,969338
392 1741,366087 0,3603717 63,969324
98 60033,83968 0,001066 63,996073
10 196 7624,778858 0,00839 63,971895 63,977339
429 3452,831638 0,018527 63,970612
392 1792,702 0,035684 63,970778
98 9032,65 0,0694746 63,969355
12 196 2448,26 0,2563208 63,969361 63,969428
429 1174,22 0,5344322 63,969522
392 708,1596 0,8902043 63,969473
Середнє значення Α = 63,985859
Таблиця Б.2 Значення коефіцієнта А, отримані для матеріалопроводів
діаметром 5 мм різної довжини. Середнє значення А = 63,998544.
Коефіцієнт Наведене Середнє
Довжина Тиск р, гідравлічного число Коефіцієнт, значення
L, мм кПа опору, λ Рейнольдса, Α коефіцієнта,
Re* А
98 13643,044 0,004691 63,999982
100 196 2935,5811 0,0218015 64,000003
429 1505,1458 0,0425208 64,000005
392 1421,6193 0,0450191 64,000022 64
250 98 34836,494 0,0018372 64,000075
196 2100,6534 0,0304667 64,000077
429 3203,8855 0,0199758 64,000076
392 1949,469 0,0328295 64,000093 64
500 98 33161,313 0,00193 63,999909
196 14509,867 0,0044108 63,999902
429 4606,4378 0,0138936 63,999926
392 5721,9266 0,011185 63,999889 63,9999
1000 98 160899,45 0,00391 64,00033
196 36956,246 0,0017318 64,00032
429 15358,789 0,004167 64,00028
392 9877,5797 0,0064793 64,00028 64,0003
1600 98 264871,37 0,0002416 64,000073
196 42165,916 0,0015178 64,000271
429 18205,463 0,0035154 64,000213
392 12432,347 0,0051454 63,969523 63,99252
99
Таблиця В.1. Результати експериментального дослідження зразків
яблучної начинки.
Яблучна начинка
Яблучна начинка
+10% виноград.
Яблучна начинка +10% виноград.
Швидкість порошку + 10%
порошку
зсуву D, пшенич. муки
1/с Θн Θр Θн Θр Θн Θр
0,333 126,68 118,23 222,38 247,72 337,8 197,05
0,6 154,86 143,56 275,87 278,68 436,32 225,2
1 180,16 168,9 320,91 304,02 506,7 267,42
1,8 199,86 205,49 346,24 343,43 563 309,65
3 222,38 222,38 396,91 453,21 619,3 351,87
5,4 250,53 242,09 444,77 492,62 689,67 394,1
9 267,42 261,79 515,14 568,63 760,05 450,4
16,2 305,20 295,57 593,96 650,26 872,65 534,85
27 340,61 343,43 689,67 754,42 957,1 619,3
48,6 399,73 396,91 785,38 821,98 1097,85 844,5
81 453,21 444,77 928,95 971,17 1351,2 1069,7
145,8 538 538 1131,63 1131,63 1520,1 1520,1